Характеристики лазерных диодов

Чтобы оценить соотношение между выходной мощностью светового излучения лазерного диода от плотности инжекционного тока необходимо рассмотреть уравнения, учитывающие изменение как плотности носителей заряда N_c, так и фотонной плотности N_ph в активной области лазера. Изменение концентрации во времени инжектированных в активную область лазера носителей заряда можно записать в виде:

, (26)

где η – доля инжекционного тока, достигающая активной области, J – плотность тока носителей заряда в активной области, J_r - плотность тока рекомбинационных потерь в лазерном диоде, q – элементарный заряд, d – толщина активной области.

Плотность тока J_r учитывает рекомбинацию носителей заряда (потери, связанные в основном с Оже рекомбинацией и рекомбинацией Шокли-Рида-Холла). Последний член представляет собой стимулированную излучательную рекомбинацию, v_gr – групповая скорость света в активной области, g – коэффициент усиления световой волны.

Для скорости изменения плотности фотонов в активной области лазера имеем:

, (27)

где первый член – стимулированная эмиссия фотонов, Γ – фактор формы активной области, β_sp – доля фотонов в процессе спонтанной генерации. Последний член учитывает фотонные потери, где τ_ph – время существования фотона в активной области лазера, g – коэффициент усиления света.

Т.к. вклад спонтанных переходов в рассматриваемом случае существенно меньше, чем вынужденных, то им можно пренебречь. Уравнения (26) и (27) в этом случае переходят в следующие:

. (28)

. (29)

В стационарных условиях dN_c/dt=dN_ph/dt=0. Из (29) следует, что

. (30)

Уравнения (27), (29) основываются на разумных соотношениях баланса между генерированных и исчезающих носителей заряда или фотонов в рассматриваемой единице объема активной области полупроводникового лазера.

Подставляя (30) в (28), имеем:

(31)

Мощность светового излучения, генерируемого лазерным диодом равна

. (32)

В последнем выражении введен коэффициент прохождения света через фронтальную грань лазерного диода. Подставляя (32) в (31), имеем:

, (33)

Выражение (33) представляет собой выходную световую мощность, генерируемую лазерным диодом. Удельная выходная световая мощность лазерного диода (Вт/см²) увеличивается пропорционально плотности тока, протекающего через структуру (рис.6). Если учесть, что эта величина, в целом экспоненциально зависит от приложенного напряжения, то и выходная световая мощность зависит от приложенного напряжения подобным образом.

рис.6. Схематическая зависимость выходной мощности лазерного диода от электрического тока, протекающего в структуре.

рис.7. Зависимость выходной мощности от приложенного напряжения и тока, протекающего через лазерную структуру.

Рис.7 показывает, что выражение (33) только приближенно описывает зависимость выходной мощности от тока в структуре. Линейная зависимость наблюдается только на начальной стадии процесса генерации света. Это связано с тем, что коэффициент усиления g в реальной структуре является зависящим от концентрации электронно-дырочных пар в области световой генерации и, соответственно, от плотности тока, протекающего в структуре. При этом, как это следует из (34), чем меньше толщина активного слоя, тем выше мощность световой генерации. Этот факт широко используется при создании активной области лазерного диода, состоящей из квантовых полупроводниковых сверхрешеток, сформированных в этом объеме.