10.2. Дифференциальная квантовая эффективность.

Рис. 101. Ватт-амперная характеристика полупроводникового лазера.

Применительно к лазеру принято говорить о внешней дифференциальной квантовой эффективности ή_d , которая определяется как отношение приращения выходной мощности dP_out к увеличению тока накачки dI в режиме генерации:

ή_d = dP_out/ dI (68)

Это обусловлено тем, что при работе с полупроводниковыми лазерами всегда контролируется ток через лазер и выходная оптическая мощность. Однако дифференциальная квантовая эффективность является безразмерной величиной. Выражение (68) не учитывает прирост напряжения при увеличении тока на полупроводниковом лазере:

ή_d = dP_out / dI dU (69)

Наиболее часто используемое выражение для дифференциальной квантовой эффективности выглядит следующим образом:

(70)

Это отношение внешних оптических потерь к сумме внешних и внутренних оптических потерь. В это выражение необходимо добавить множитель, учитывающий токовые утечки за порогом генерации:

(71)

ή_i – обозначает стимулированный квантовый выход, который учитывает потери уже за порогом генерации (токовые утечки вне полоскового контакта и вне активной области лазерной гетероструктуры).

Теперь выражение для дифференциальной квантовой эффективности легко преобразовать в следующее:

(72)

Это выражение широко используется экспериментаторами для определения внутренних оптических потерь и стимулированного квантового выхода лазерной структуры. Для этого строится зависимость обратной величины дифференциальной квантовой эффективности от длинны резонатора. Наклон зависимости определяет внутренние оптические потери, а пересечение с осью при нулевой длине резонатора – стимулированный квантовый выход.

Рис. 102. Зависимость обратной величины дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора полупроводниковых лазеров изготовленных из разных эпитаксиальных пластин.

Приведены четыре зависимости: для лазеров из хорошей эпитаксиальной пластины с высоким стимулированным квантовым выходом(≈100%) и малыми внутренними оптическими потерями (3 см^-1), для лазеров из эпитаксиальной структуры с высокими внутренними оптическими потерями(8см^-1) и хорошим стимулированным квантовым выходом(≈100%), для лазеров из эпитаксиальных структур с низким стимулированным квантовым выходом(≈75%) и внутренними оптическими потерями 3см^-1 и 8 см^-1.

Максимальное значение стимулированного квантового выхода обеспечивает максимальное значение дифференциальной квантовой эффективности, а минимальные внутренние оптические потери позволяют сохранять максимальное значение дифференциальной квантовой эффективности при максимальной длине резонатора Фабри-перо полупроводникового лазера.

3. Коэффициент полезного действия (кпд) полупроводникового лазера.

Эффективность с которой преобразуется электрическая энергия в электромагнитное излучение называется коэффициентом полезного действия полупроводникового лазера (КПД). Определяется как отношение выходной мощности к подводимой мощности:

ή = Р_out/IU (73)

По сути дела это обобщение двух экспериментальных зависимостей характеризующих полупроводниковый лазер: вольт-амперная и ватт-амперная. В результате КПД принимает следующий вид:

ή = ή_d (I – I_th) / I(Uo + IR_s) (74)

Рис.103. Зависимости оптической мощности, напряжения и КПД полупроводникового лазера от тока накачки.

КПД полупроводникового лазера не является постоянной величиной и меняется с током накачки. Ниже порога генерации КПД равно нулю. Потом он резко возрастает, достигает максимального значения и начинает снижаться. При высоких уровнях токовой накачки подводимая электрическая мощность растет пропорционально квадрату тока, а оптическая – пропорционально первой степени. Поэтому, КПД с ростом тока снижается при высоких уровнях токовой накачки.

Рис 104. Зависимость КПД и ватт-амперной характеристики от просветления выходного зеркала.

Лекция 11. Рабочие характеристики полупроводниковых лазеров.