14.1 Импульсные полупроводниковые лазеры.
Импульсные полупроводниковые лазеры только последнее время стали приобретать характерные черты, отличающие их от непрерывно работающих лазеров.
Основным отличием является способ накачки: от импульсного источника тока. Переход на импульсный способ накачки полупроводникового лазера приводит к возможности снижения средней температуры лазера и как следствие увеличения тока накачки. Уменьшение длительности токового импульса менее 100 нс и частоты повторения порядка 1 кГц обеспечивает режим при котором теплоемкость лазерного кристалла достаточна для сохранения средней температуры лазерного кристалла неизменной.
Рис. 198. Ватт-амперные характеристики многомодового полупроводникового лазера в импульсном и непрерывном режиме генерации.
Дальнейшее уменьшение длительности импульса токовой накачки до единиц наносекунд приводит к эффекту задержки светового импульса относительно токового. Эффект связан со временем жизни неосновных носителей электронов или дырок. При величине переднего и заднего фронта токового импульса меньше одной наносекунды пороговая концентрация носителей заряда в активной области полупроводникового лазера накапливается с некоторой задержкой от токового импульса. Это связано с тем, что время жизни неосновных носителей имеет тот же порядок величины.
Рис.199. Иллюстрация задержки светового импульса полупроводникового лазера относительно токовой накачки.
Временная задержка наблюдается во всех типах полупроводниковых лазеров: гомолазерах и гетеролазерах. Если для определения изменения во времени концентрации инжектированных носителей заряда в активной области использовать уравнение непрерывности, то решая его можно получить следующее выражение:
n(t) = (τ I/qAd) [1-exp(-t/τ)] (88)
где : А –площадь полоскового контакта, τ-спонтанное время жизни рассматриваемого носителя заряда, d - толщина активной области, I - ток накачки.
Преобразовав выражение (88) можно получить время, за которое достигается некоторая концентрация инжектированных носителей заряда:
t = τ ln [I / {I - qn(t)Ad / τ}] (89)
Вспомнив, что пороговый ток можно определить следующим образом:
Iпор = qnпор Ad/τ (90)
а время когда концентрация достигает порогового значения, является временем задержки td
можно получить следующее выражение:
td = τ ln[I/(I - Iпор)] (91)
Нетрудно заметить, что если полупроводниковый лазер не выключать до конца, а подпитывать током накачки чуть меньше порогового можно сильно уменьшить время задержки:
td = τ ln[(I - Io)/(I - Iпор)] (92)
Рис.200. Зависимость времени задержки от тока накачки и уровня легирования активной области полупроводникового лазера.
Время задержки можно снизить, если увеличивать так же уровень легирования активной области, но как следует из эксперимента, больше всего на задержку влияет величина токового импульса. В некоторых случаях фронты включения светового импульса ответа сотен или даже десятков пикосекунд.
В случае когда фронт импульса тока накачки начинает сравниваться с временами жизни стимулированных переходов при стимулированном излучении начинает проявляться эффект релаксационных колебаний. В этом случае происходит конкуренция двух процессов: нарастания концентрации носителей заряда и сброс концентрации носителей заряда посредством стимулированных переходов. Ниже приведены выражения скоростных уравнений для фотонов и электронов:
(93)
Таблица дает пояснения обозначений в выражениях скоростных уравнений (99).
Рис. 201. Иллюстрация релаксационных колебаний на переднем фронте светового импульса.
Рис.202. Расчет релаксационных колебаний концентрации носителей заряда и фотонов.
На рисунке 202 приведены расчетные зависимости нарастания концентрации носителей заряда и концентрации фотонов. Времена жизни стимулированных фотонов отстают от скорости нарастания концентрации носителей заряда, и происходит разбалансировка по времени процесса достижения пороговой концентрации и концентрация увеличивается больше чем требуется, для выполнения пороговых условий. Это происходит из-за того, что скорость нарастания концентрации фотонов запаздывает.
Этот процесс ограничивает скоростные, модуляционные свойства полупроводниковых лазеров и для увеличения скорости модуляции и длительности импульса применяются другие способы.