Полупроводниковые инжекционные лазеры. Иванов Н.А. - 10 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ИГУ | Иркутск

Составители: 

Рубрика: 

10
где J - ток через переход,
i
η
-внутренняя квантовая эффективность (для инжектированных
электронов, рекомбинирующих излучательно). Выразим разность )(
12
nn − в формуле (14)
через плотность тока
i
, протекающего через
n
p
−
-переход: LwJi /
=
.
Видно, что коэффициент усиления пропорционален плотности тока
n
p
−
-перехода.
Генерация возникает при некотором пороговом значении плотности тока
пор
i , при котором
усиление будет компенсировать потери. Потери энергии, при прохождении светом в
кристалле расстояния
L
, равны Re
Lα−
, где
α
-коэффициент поглощения материала,
R
-
коэффициент отражения от грани кристалла, образующей резонатор. В соответствии со
сказанным выше, условие возникновения генерации можно записать в следующем виде:
здесь
пор
-пороговое значение коэффициента усиления. Из (16) и (17) находим пороговое
значение плотности тока.
Для современных полупроводниковых лазеров пороговая плотность тока составляет
величину порядка 100 А/см
2
. Учитывая, что площадь перехода может быть меньше 1 мм
2
,
пороговый ток для реальных приборов может составлять величину меньше 1 А.
Мощность излучения инжекционного лазера определяется следующим
соотношением:
где )(
пор
JJ − -разность тока, протекающего через переход и порогового тока. Часть этой
мощности, пропорциональной
α
рассеивается внутри лазерного резонатора. Другая часть,
пропорциональная R
L
ln
1
− , излучается через концевые отражатели. Таким образом,
выходная мощность лазера может быть выражена следующим соотношением:
Пусть V -электрическое напряжение, приложенное к лазерному диоду, VJ -электрическая
мощность накачки лазера. КПД лазера по определению равен отношению:
Отсюда:
Обычно потери внутри кристалла малы, т.е.
ν
α
heVRL
≈
−
<<
.ln/1 . (Внешнее поле почти
полностью компенсирует внутренний контактный барьер). Отсюда при высоких уровнях
возбуждения )(
пор
JJ > имеем:
i
КПД
η
≈ . Для полупроводников, используемых для
)16(.
8
)(
22
2
i
edtn
c
сп
i
νπ
η
νγ =
)17(1
)(
=
−
R
пор
e
α
γ
)18(,)ln
1
(
8
.
2
22
R
L
c
edn
пор
i
i −= α
η
νπ
)19(,
)(
e
hJJ
P
iпор
ν
η
−
=
)20(,
ln
ln
)(
1
1
0
−
−
−
=
R
R
e
hJJ
P
L
L
iпор
α
νη
)21(.
0
JV
P
КПД =
)22(.
)/1ln(
)/1ln(
+
−
=
RL
R
eV
h
пор
J
пор
JJ
i
КПД
α
ν
η
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
          где J - ток через переход, η i -внутренняя квантовая эффективность (для инжектированных
          электронов, рекомбинирующих излучательно). Выразим разность (n 2 − n1 ) в формуле (14)
          через плотность тока i , протекающего через p − n -переход: i = J / Lw .
                                      c 2η i
                                 γ (ν ) =          i.            (16)
                                  8πn 2ν 2 t сп ed
          Видно, что коэффициент усиления пропорционален плотности тока               p − n -перехода.
          Генерация возникает при некотором пороговом значении плотности тока iпор , при котором
          усиление будет компенсировать потери. Потери энергии, при прохождении светом в
          кристалле расстояния L , равны e −αL R , где α -коэффициент поглощения материала, R -
          коэффициент отражения от грани кристалла, образующей резонатор. В соответствии со
          сказанным выше, условие возникновения генерации можно записать в следующем виде:

                                     e(γ   пор   −α)
                                              R =1                    (17)
          здесь γ пор -пороговое значение коэффициента усиления. Из (16) и (17) находим пороговое
          значение плотности тока.

                                      iпор. = 8πn ν
                                                         2    2
                                                       1          ed
                                                         ln R) ,       (α −
                                                                         (18)
                                            c ηi       L 2


                Для современных полупроводниковых лазеров пороговая плотность тока составляет
          величину порядка 100 А/см2. Учитывая, что площадь перехода может быть меньше 1 мм2,
          пороговый ток для реальных приборов может составлять величину меньше 1 А.
                Мощность      излучения   инжекционного      лазера  определяется   следующим
          соотношением:
                                                 ( J − J пор )η i hν
                                       P=                ,                   (19)
                                                   e
          где ( J − J пор ) -разность тока, протекающего через переход и порогового тока. Часть этой
          мощности, пропорциональной α рассеивается внутри лазерного резонатора. Другая часть,
                              1
          пропорциональная − ln R , излучается через концевые отражатели. Таким образом,
                              L
          выходная мощность лазера может быть выражена следующим соотношением:

                                     ( J − J пор )η i hν  − L1 ln R 
                                  P0 =                               
                                                          α − 1 ln R  ,  (20)
                                              e               L      
          Пусть V -электрическое напряжение, приложенное к лазерному диоду, VJ -электрическая
          мощность накачки лазера. КПД лазера по определению равен отношению:
                                                             P0
                                                 КПД =          .              (21)
                                                             JV
          Отсюда:
                                        J − J пор 
                            КПД = η               hν  ln(1 / R)  .
                                      i J          eV  αL + ln(1 / R)   (22)
                                           пор                             
          Обычно потери внутри кристалла малы, т.е. α << −1 / L ln R. eV ≈ hν . (Внешнее поле почти
          полностью компенсирует внутренний контактный барьер). Отсюда при высоких уровнях
          возбуждения ( J > J пор ) имеем: КПД ≈ η i . Для полупроводников, используемых для
                                                                                                   10

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Страницы