Физические величины - Бабичев А.Н.
ISBN 5-283-04013-5
Скачать (прямая ссылка):
Инжекционные лазеры. Простейший инжекционный лазер, или гомолазер, по существу представляет собой сильно легированный р—«-переход, при смещении которого в прямом направлении неосновные носители заряда инжектируются сквозь р—n-переход на расстояние порядка диффузионной длины и рекомбинируют с основными. При фоторекомбинации в плоскости р—и-перехода возникает вынужденное излучение. Пороговая плотность тока такого лазера на GaAs составляет 20—50 кА/см2 при T= 20°С. Уменьшение пороговой плотности тока до 5 кА/см2 достигнуто в односторонних гетероструктурах, где наряду с р—л-переходом имеется гетеропереход в полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, например гетеропереход GaAs-AUGat_*As. Гетеропереход расположен на расстоянии от р—гс-перехода, меньшем диффузионной длины, и препятствует диффузии неосновных носителей (электронное ограничение), увеличивая тем самым их концентрацию. Поскольку большей подвижностью обладают обычно электроны, гетеропереходами, как правило, являются р—р-переходы. Еще большее уменьшение пороговой плотности тока (для значений ниже 1кА/см2) при T=20 °С достигнуто в двойных гете-
роструктурах (ДГС) использованием как ограничения неосновных носителей заряда (электронов и дырок), так и оптического ограничения генерируемого излучения. В ДГС активная область расположена между двумя гетеропереходами. Например, в ДГС на основе AljeGai-^As это слой р GaAs с шириной запрещенной зоны Er= = 1,4 эВ, расположенный между слоями р AUGai-JtAs (Es= 1,8 эВ).
Поскольку показатель преломления узкозонного полупроводника с ДГС больше, чем показатель преломления широкозонных слоев, возникает волновод, локализующий генерируемое излучение вблизи активной области. Выходная плотность мощности полупроводникового лазера ограничена лучевой прочностью кристалла, поэтому для повышения выходной мощности гетеролазе-ра используют раздельное ограничение носителей и излучения в пятислойных структурах, например:
P AUGai-JtAs Eg = 1,8 эВ;
р AI„Ga,_vAs Eb= 1,5 эВ;
р GaAs Eb= 1,4 эВ;
п AUGa,_„As Ek= 1,5 эВ;
п AUGa1-J1As Ee= 1,8 эВ;
причем х«0,3; у— 0,1.
Активным слоем является GaAs, электронное ограничение присутствует на границах слоя GaAs, а стенками волновода служат переходы между AUGai-JtAs и AleGai-^As. Раздельное ограничение по носителям и излучению в пятислойных структурах позволяет также без ухудшения свойств волновода значительно уменьшить размеры активного слоя, что приводит к уменьшению порогового тока. Для получения генерации в широком спектральном диапазоне в ДГС помимо уникальной структуры AUGai-JtAs используются многокомпонентные твердые растворы (рис. 34.13).
Для того чтобы ширина активной области лазера была сравнима с толщиной гетероперехода или не сильно превышала ее, применяют ограничение носителей и излучения в плоскости гетероперехода. Лазеры такой конфигурации называют полосковыми. В простейшем полосковом лазере инжекция носителей заряда производится через полосковый контакт при этом осуществляется только электронное ограничение. В более сложных структурах боковому ограничению подвергаются и распределение носителей, и излучение лазера. Методы ограничения носителей сходны с теми, которые применяются для ограничения носителей и излучения в направлении, перпендикулярном плоскости лазера, т. е. р—п-
/,?
(Gain PAsXG (IPAs)(GaAs) (AlGaPAs)(GaAs)
(AlGaAsSb)(Ga^sSb)(GaAs)
v(GaInPAs)(InP)\\\|
|\ X^AlGa As S b)(G a S b)\^ j I
(GaInAsSb)(GaSbl|\\\\\\j
0 1,0 1,5 AjMKM
Рис. 34.13. Перекрытие спектральных диапазонов четверными системами типа A3B5 и спектральная зависимость пороговых плотностей тока в инжекционных гетеролазерах [56]
60*
947 Рис. 34.14. Примеры ватт-амперных характеристик непрерывных полосковых гетеролазеров: 1 — линейные; 2, 3 — гладкие нелилейные (2 — монотонные, з — немонотонные); 4, 5 — разрывнь.е (4 — простая петля, 5 — самопересекающаяся петля с разрывами) 1571
переходы и гетероструктуры используются в боковом направлении. Помимо того, возможно геометрическое боковое ограничение Если в полосковых лазерах отсутствует боковое оптическое ограничение, то зависимость мощности выходного излучения от тока накачки становится нелинейной (рис. 34.14). Это связано с тем, что поперечный размер лазерной моды в полосковых лазерах сравним с шириной пространственного распределения коэффициента усиления. В максимуме интенсивности лазерной моды происходит наиболее эффективный съем инверсии, вследствие чего распределение инверсии и коэффициента преломления становится более благоприятным для генерации другой моды Изменение генерируемой моды обусловливает особенности ватт-амперных характеристик полоскового лазера.
Объем активной среды лазера, накачиваемого электронным пучком или светом, в IO4-IOc раз больше, чем у инжекционного лазера, что позволяет поднять мощность выходного излучения на несколько порядков. Так, если выходная мощность ннжекционного лазера не превышает сотни ватт, то в лазере с электронной накачкой получена мощность 1—2 кВт, а в Ga As-лазере с оптической накачкой 40 кВт [55].
