5.1. Первое условие: создание инверсной заселенности в активной среде.

Рассматриваем:

• Спонтанное излучение

• Стимулированное (вынужденное усиление)

• Поглощение оптического излучения полупроводником.

Усилитель излучения возможен при избытке излучательных переходов в активной среде. → Избыток излучательных переходов возможен при избытке носителей заряда в зоне проводимости. →Условие избытка носителей заряда в зоне проводимости:

qB (f_c (1-f_v) – f_v (1-f_c) ) > 0 (38)

q – заряд, В – константа излучательной рекомбинации, f_c – вероятность заселенности энергетического уровня с, f_v – вероятность заселенности уровня v.

Если f_c > f _v, то условие инверсной заселенности достигнуто и для полупроводникового материала это условие принимает вид:

F_c – F_v > E_c - E_v > E_g (39)

F _c – уровень ферми в зоне проводимости для электронов, F_v – уровень ферми в зоне валентной для дырок, E _c – энергетический уровень дна зоны проводимости, E _v – энергетический уровень потолка валентной зоны, E_g – ширина запрещенной зоны.

Концентрация инжектированных носителей заряда должна обеспечивать проникновение уровня Ферми в зону проводимости и валентную зону полупроводникового материала (выполнение условия вырождения полупроводникового материала).

Рис. 46. Примеры выполнения условия создания инверсной заселенности в полупроводниковом материале.

5.2. Второе условие: создание волновода в активной среде полупроводникового лазера.

В гомолазере за счет температурного градиента и градиента концентрации носителей заряда вдоль n-р перехода.

В гетеролазере за счет скачка показателя преломления полупроводниковых материалов широкозонного и узкозонного.

Волновод обеспечивает направленное распространение фотонов спонтанного излучения в активной среде, а после выполнения пороговых условий удерживает моды стимулированного (вынужденного) излучения.

5.3. Третье условие: Обратная связь для создания усилителя в активной среде. Резонатор Фабри-Перо. Образуется скалыванием полупроводникового кристалла по плоскости спаенности кристаллической решетки. На сколах кристалла (гранях резонатора Фабр-Перо) образуются зеркала R1 и R2 – коэффициент отражения зеркал резонатора.

5.4. Четвертое условие: Усиление (g) должно скомпенсировать все оптические потери внутренние и внешние:

g= α_i+ 1/2L lg 1/ R₁ R₂ (40)

α_i – внутренние оптические потери, L – длина резонатора Фабри – Перо, R₁ и R₂ – коэффициент отражения зеркал резонатора Фабри Перо.

Рис. 47 Иллюстрирует поглощение излучения (фотона) распространяющегося в полупроводнике(а); иллюстрирует излучательную рекомбинацию (б). В обоих случаях hν ≈ > E_g

Рис.48. Иллюстрирует спонтанное излучение (а) и возникновение когерентного фотона, стимулированного фотона , вынужденного фотона(б).

• В первую очередь должны быть скомпенсированы потери на поглощение в самом полупроводниковом материале и наступило просветление полупроводникового материала. Которое характеризуется отсутствием возможности поглощения фотонов при распространении по волноводу активной среды.

Рис.49. иллюстрирует эту ситуацию стимулированные фотоны просветлили материал поглощаясь в нем, но их настолько много, что они могут распространяться дальше без поглощения, что приводит к усилению-рождению стимулированных фотонов.

• Во вторую очередь должны быть скомпенсированы все внутренние оптические потери α_i потери на рассеяние на неоднородностях материала (кристаллических), на неоднородностях гетерограниц полупроводниковых слоев и на свободных носителях заряда.

α_i = α_{i кристалла} + α_{i границ} + α_{i свободные носители заряда} (41)