9.5.Температурная зависимость пороговой плотности тока в полупроводниковых лазерах.
Эмпирическое выражение для температурной зависимости пороговой плотности тока. Параметр То – является характеристическим параметром в температурной зависимости пороговой плотности тока. Чем выше это значение, тем стабильнее все характеристики полупроводниковых лазеров. Характерное значение То = 50-100°С для лазеров на основе подложек InP (фосфида индия). Для лазеров на основе подложек GaAs (арсенида галлия) То = 120-250 °С.
(66)
Рис.92. Зависимость пороговой плотности тока от температуры окружающей среды.
Распределение носителей заряда по энергетическим состояниям плотности состояний полностью определяется температурным распределением носителей заряда. С увеличением температуры высокоэнергетичные состояния заполняются, низкоэнергетичные состояния освобождаются, что вызывает необходимость увеличить ток накачки для достижения пороговой концентрации в активной области.
Рис.93. Распределение носителей заряда по состояниям плотности состояний.
Лекция 10. Рабочие характеристики полупроводниковых лазеров.
10.1 Расходимость излучения. Диаграмма направленности излучения полупроводникового лазера.
Расходимость излучения полупроводникового лазера является наиболее «не лазерной» характеристикой и полностью зависит от геометрических размеров излучающей области.
Рис. 94. Схематическое изображение волновода с показателем преломления n2 и излучения выходящего из лазерного волновода и распространяющегося в направлении z.
Интенсивность излучения в зависимости от угла Ɵ толщины является функцией волновода d и показателей преломления n1, n2, и n3. В расчетной формуле расходимости излучения используются некоторые эмпирические приближения, и упрощенная формула выглядит следующим образом:
(67)
Рис. 95. Экспериментальная и расчетная картина расходимости излучения в дальней зоне симметричного ДГС-лазера в плоскости параллельной и перпендикулярной слоям гетероструктуры. Расчетные и экспериментальные значения фиксируются на половинной от максимального значения интенсивности излучения.
Размер излучающей области определяется толщиной волноводного слоя и скачком показателя преломления на границах волновода. Наибольший интерес представляет одномодовый режим генерации который представлен на рис. 95. Лазер работает на основной (нулевой ) моде в обоих направлениях х и у волноводного резонатора.
Рис. 96. Диаграмма направленности излучения полупроводникового лазера в параллельной (Θ║) и перпендикулярной (Θ┴) плоскости эпитаксиальных слоев.
Из-за малых размеров толщины диэлектрического волновода наибольшей расходимостью обладает расходимость излучения в направлении перпендикулярном слоям лазерной гетероструктуры. Ниже на рисунке приведена зависимость расходимости излучения в плоскости перпендикулярной слоям структуры от толщины волноводного слоя. Расходимость излучения измеряется на половинной интенсивности излучения и и часто называется расходимостью излучения на полувысоте ( или полуширине).
Рис. 97. Зависимость расходимости излучения в плоскости перпендикулярной эпитаксиальным слоям от толщины активной области ДГС.
Увеличение толщины волновода более 0.8 – 1.0 мкм приводит к возникновению мод высшего порядка. На рисунке 97 эта область изображена пунктиром. На рис.99 приведен именно такой случай, когда толщина волновода достаточна для удержания основной и первой моды. Уменьшение толщины волновода менее 0,3-0,4 мкм приводит к вытеканию электромагнитной волны из волновода и эффективный размер волновода увеличивается что приводит к уменьшению расходимости излучения (рис. 97).
Наблюдается прямая связь с зависимостью фактора оптического ограничения и расходимости излучения толщины волновода.
Рис. 98. Зависимость фактора оптического ограничения в двойной лазерной гетероструктуре от толщины активной области (волновода для ДГС) и состава эмиттерных слоев.
Однако, необходимо отметить, что в зависимости от толщины волновода, с его увеличением, он начинает удерживать моды высшего порядка и в этом случае выражение (67) не применимо.
Рис. 99. Зависимость интенсивности нулевой и второй моды от положения на торце резонатора. (Другими словами картина ближнего поля полупроводникового лазера.)
Состав эмиттерных слоев влияет на скачек показателя преломления и на силу волновода. Чем больше скачек показателя преломления, тем сильнее волновод и при меньших толщинах он удерживает больше мод.
Картины ближнего и дальнего поля полупроводникового лазера связаны. Картина дальнего поля определяется полностью картиной ближнего поля. По картине дальнего поля можно судить о модовом составе излучения лазерного волновода. Например, картина дальнего поля в вертикальном направлении, определяется профилем электрического вектора вертикальной моды (или совокупности вертикальных мод:
(67)
Рис. 100. Картины ближнего и дальнего поля в зависимости от ширины полоскового контакта полупроводникового лазера. Порядок генерируемых мод возрастает с увеличением ширины волновода и области протекания тока в результате волновод становится многомодовым.