13.4. Одночастотные полупроводниковые лазеры с внутренней дифракционной решеткой.

Рис.174. Условие Вульфа- Брега, для волны, рассеивающейся на идеальном кристалле состоит в том, что при падении на кристалл под некоторым углом Θ поток электронов, рентгеновского излучения или электромагнитной волны оптического диапазона отражается под другим определенным углом, интерферирует и усиливается при условии равенства разности хода лучей целому числу длин волн выбранного излучения.

(83)

Рисунок 175 позволяет вывести выражение для разности хода лучей падающих и отражающихся от кристаллической решетки c учетом показателя преломления n для излучения, распространяющегося в кристалле.

Рис.176. Дифракция оптических лучей на периодической структуре дифракционной решетки практически аналогичен случаю дифракции пучков электронов или рентгеновских лучей на кристаллической решетке.

Период решетки должен быть не меньше чем:

(84)

Необходимо учесть, что излучение распространяется по кристаллу и показатель преломления для излучения в кристалле (n), тогда разность хода лучей имеет следующий вид:

(85)

А условие Брега приобретает следующий вид:

(86)

Дифракционная решетка работает практически как кристалл полупроводникового материала, только центрами рассеяния являются не атомы кристаллической решетки, а искусственно созданные периодически расположенные центры рассеяния излучения. Внутренняя дифракционная решетка формируется периодически меняющимся показателем преломления на границе (или в волноводном слое) лазерной гетероструктуры. Ниже приведено схематическое изображение такой дифракционной решетки:

Рис.177. Схематическое изображение лазерной двойной гетероструктуры с дифракционной решеткой в слое эмиттера n-типа. Δ – расстояние между периодическими неоднородностями( или расстояние между слоями атомной решетки d), m- порядок решетки, λ - длина волны излучения, n - эффективный показатель преломления материала волновода.

Учитывая, что для лазерной структуры угол Θ = 90 °, а Δ= d условие Брега принимает следующий вид:

2 Δ n=mλ (87)

Различают два основных вида полупроводниковых лазеров со внутренней дифракционной решеткой и брегговскими зеркалами.

а

б

Рис.178. Схематическое изображение полупроводникового лазера со внутренней дифракционной решеткой (а) и конструктивное решение DFB лазера (б).

а

б

Рис.179. Полупроводниковый лазер с брегговскими зеркалами (DBR) (схематическое изображение) (а), конструктивное решение DBR лазера (б).

Период внутренней дифракционной решетки для обоих типов полупроводниковых лазеров должен удовлетворять следующему условию:

Δ = m λ / 2n (ХХХ)

где: m- порядок решетки, λ - длина волны излучения, n - эффективный показатель преломления материала волновода. В этом случае выполняется условие Вульфа – Брега для волны распространяющейся по волноводу лазерной гетероструктуры. Только для длины волны излучения удовлетворяющей этому условию выполняются пороговые условия в полупроводниковом лазере с внутренней дифракционной решеткой.

Есть еще одно очень важное понятие для полупроводниковых лазеров с внутренней дифракционной решеткой это коэффициент связи лазерного излучения с периодической решеткой. Он зависит от формы периодической решетки, от расстояния между волноводом и дифракционной решеткой, от эффективного показателя преломления и периода дифракционной решетки.

Рис.180. Зависимость коэффициента связи для различного профиля решетки, для различных порядков отражения и в зависимости от длины дифракционной решетки.

Рис.181. Иллюстрация коэффициента связи электромагнитного излучения с дифракционной решеткой в двойной гетероструктуре раздельного ограничения.

Рис. 182 Ватт-амперные зависимости полупроводникового лазера с внутренней дифракционной решеткой (DFB) для различных температур теплоотвода.

Рис.183. Огромным преимуществом лазеров с внутренней дифракционной решеткой является температурная стабильность длины волны излучения. Которая, составляет ≈ 0.3Å/град в отличие от ≈ 3 Å/град для лазеров с резонатором Фабри-Перо. (Причина температурная зависимость ширины запрещенной зоны и температурная зависимость периода решетки).

Рис. 184. Конструкция наиболее распространенного полупроводникового лазера с внутренней дифракционной решеткой.

Рис. 185. Иллюстрация высокочастотной модуляции полупроводникового лазера с внутренней дифракционной решеткой при этом сохраняется устойчивый одночастотный режим генерации.

Рис. 186. Одна из находок немецких исследователей – полупроводниковый одномодовый одночастотный лазер с внутренней решеткой, лежащей в пассивной области мезаполоскового лазера. Эта конструкция вносит серьезное упрощение технологии изготовления.