11.1 Спектральные характеристики полупроводникового лазера.
Резонатор Фабри-Перо организующий обратную связь в полупроводниковом лазере определяет модовый состав электромагнитного излучения по оси резонатора. Усилению подлежат стоячие волны резонатора Фабри-Перо они и определяют спектр излучения полупроводникового лазера частоты или длины волн, которые присутствуют в спектре излучения.
Пороговые условия в полупроводниковом лазере в идеальном случае выполняются для одной продольной моды резонатора Фабри-Перо. Однако в реальных условиях температурного размытия и макро и микро неоднородностей лазерной структуры пороговые условия выполняются для ряда продольных мод.
Рис. 105. Иллюстрация постепенного перехода от спектра спонтанного излучения к спектру генерации стимулированного излучения в полупроводниковом лазере с увеличением тока накачки.
После выполнения пороговых условий в спектре излучения наблюдается генерация нескольких продольных мод. Интересно также отметить, что положение спектра генерации не соответствует максиму спонтанного излучения и находится на длинноволновом спаде спектра. Это связано с тем, что потери для длинноволнового излучения ниже чем для коротковолнового выполнение условий равенства усиления суммарным потерям достигается легче.
Рис. 106. Иллюстрация выполнения пороговых условий: усиление равно сумме потерь.
Рис. 107. Рисунок иллюстрирует переход от начального режима генерации (суперлюминесценция) к установившемуся режиму генерации с уменьшением числа продольных мод попадающих в спектр усиления полупроводникового лазера.
Еще раз о продольных модах полупроводникового лазера и резонатора Фабри-Перо. В резонаторе укладываются продольные моды или стоячие моды резонатора Фабри-Перо длины волн которых попали в область усиления:
Рис. 108. Схематичное изображение резонатора Фабри Перо длиной L, и квадрата интенсивности стоячих волн – продольных мод l и l+1.
l– порядок продольной моды резонатора Фабри-Перо. Различие длин волн для разных продольных мод можно определить следующим образом:
(75)
где <λ>2 средняя длина волны излучения в резонаторе. Сразу же необходимо заметить, что чем длиннее резонатор, тем меньше разница между длинами волн соседних продольных мод.
Рис. 109. Иллюстрирует ситуацию наложения спектра усиления на спектр стоячих волн резонатора Фабри-Перо.
Необходимо отметить, что приведенная картина верна для продольных мод для одной поперечной моды (чаше всего нулевой или основной). В случае генерации нескольких поперечных мод для каждой из них существуют свои продольные моды и спектр принимает следующий вид.
Рис. 110. Вид спектра генерации для различных условий выполнения пороговых условий для поперечных мод. а – Одночастотный режим генерации на одной основной поперечной моде и одной продольной моде; б - Генерация на двух поперечных модах, каждая продольная мода в спектре генерации имеет менее интенсивный сателлит; в - Показано выполнение условий генерации для второй поперечной моды и в спектре генерации продольных мод появится третий сателлит.