Фово Лекции

с различием коэффициентов преломления различных слоев (так называемый волноводный эффект). Для снижения пороговой плотности тока, необходимой для создания инверсии населенностей, толщина активного слоя должна быть сделана по возможности малой. С другой стороны, увеличение такого параметра, как внутренняя квантовая эффективность позволит снизить значение порогового тока. Таким образом, пороговая плотность тока

где d - толщина активного слоя.

Выходная мощность лазера пропорциональна внутренней квантовой эффективности и превышению плотности тока накачки над пороговым значением

С ростом температуры в силу увеличения безызлучательной рекомбинации значение ηвнутр падает. Соответственно резко уве-

личивается пороговое значение плотности тока jпор . При увели-

чении тока кристалл разогревается, и при некоторой температуре непрерывный режим генерации становится невозможным. Величина допустимой температуры непрерывного режима работы полупроводникового лазера определяется конструкцией диода и возможностями теплоотвода. Применение гетероструктур для изготовления полупроводниковых лазеров позволяет снизить пороговую плотность тока при комнатной температуре более чем в 100 раз, доведя ее до нескольких сотен ампер на квадратный сантиметр. В результате получены устойчивые режимы работы полупроводниковых лазеров непрерывного действия с выходной мощностью в сотни мВт при комнатной температуре.

Из рис. 17.1. видно, как можно определить пороговый ток Iпор. При низком токе (кривая а) оптическое излучение опреде-

ляется спонтанными переходами. Лазер работает в режиме светоизлучающего диода. Излучение некогернтное. В области б

151

возрастает доля индуцированного излучения, это режим суперлюминесценции. При токах выше порогового Iпор (кривая в) преобладает индуцированное когерентное излучение. Это режим работы лазера.

Ф, мВт

5

4

Рис. 17.1. Типичная экспериментальная зависимость выходной мощности полупроводникового лазера от тока.

Для изготовления полупроводниковых лазеров широко используется полосковая геометрия, используемая также и в светодиодах с торцевым излучением (см. рис. 15.9). Активная область полоскового лазера образует прямоугольную полость, играющую роль резонатора для лазерного излучения. В таком лазере может существовать несколько типов мод, характеризуемых своей частотой. На этих частотах может возбуждаться лазерная генерация. Основное воздействие на спектральные характеристики оказывает число возбужденных продольных мод. При узкой полоске в лазерах с волноводным усилением обычно возбуждается много мод, и наблюдается довольно широкая линия генерации. Это показано на рис. 17.2, а. В лазерах с волноводным каналом генерируются несколько лазерных мод, но по мере увеличения тока одна или две моды становятся доминирующими над остальными (рис. 17.2, б).

152

остается, но уровень выходной мощности, при котором появляется перегиб, удается сдвинуть за пределы нормального рабочего режима лазера. Таким образом, линейная выходная характеристика (см. рис.17.4) получается за счет значительного снижения выходной мощности.

Рис. 17.3. Ватт – амперные и вольт – амперные характеристики для типичного полоскового AlGaAs/GaAs лазера с волноводным усилением при длине резонатора l=130 мкм и ширине полоски

12 мкм.

154

лучения от температуры и изменение порога самовозбуждения лазера.

Выводы

Рассмотрены особенности полупроводниковых лазеров, использующих излечение света, возникающее в p-n - переходе при прямом включении (лекция 13). Получено условие создания инверсии неселенностей в p-n - переходе, требующее применения вырожденных полупроводников. Рассмотрены характеристики полупроводниковых лазеров и их отличие от светоизлучающих диодов.

Вопросы и задачи

17.1.Перечислите достоинства полупроводниковых лазеров как источников излучения для ВОЛС.

17.2.Какие полупроводники называются вырожденными?

17.3.Как получают вырожденные полупроводники?

17.4.Выведите условие создания инверсии населенностей в p-n - переходе.

17.5.Что представляет из себя лазерный резонатор? (см. лекцию № 16). Как конструктивно выполняется резонатор в полупроводниковом лазере?

17.6.Нарисуйте ватт-амперную характеристику типичного полупроводникового лазера. Что такое пороговый ток?

17.7.Чем отличаются полупроводниковые светоизлучающие диоды от полупроводниковых лазеров (лазерных диодов)?

Заключение

В представленном конспекте лекций рассмотрены физические законы и явления, описывающие особенности распространения света в оптических волокнах. Особое внимание уделено процессу распространения световых волн в различных средах, подробно рассмотрено получение формул для расчета числовой апертуры волокна, межмодовой и материальной дисперсии, мощности, вводимой в волокно. Основной упор сделан на объяснении физической сути изучаемых явлений. Книга предпола-

156

гает наличие у читателя знаний математики и общей физики в объеме, соответствующем второму году обучения в университете. Однако изложение построено таким образом, что менее подготовленный читатель усвоит все необходимые понятия. Наряду со строгими решениями уравнений в процессе изложения материала при необходимости применяются менее строгие, но более наглядные методы (например, квантовомеханическая аналогия при рассмотрении материальной дисперсии, лучевая трактовка при исследовании распространения света в волокне). Материал снабжен большим количеством рисунков и диаграмм. Данное учебное пособие будет полезно не только студентам, но и инже- нерно-техническим работникам, работающим в области оптической связи.

Ответы

k'' = 0,96 10−4 м−1 .

2.7. Фазовая скорость - да, групповая - нет. Групповая скорость определяет скорость переноса энергии, поэтому не может превышать скорость света .

dω

157

6.7.Различные моды, существующие на одной частоте, распространяются под разными углами.

6.8.30o .

7.9. Можно уменьшить разность показателей преломления

n= n1 − n 2 .

7.10.Из формулы для расчета критической длины волны

158

длину волны λ , подставляем параметры задачи. После расчета получаем m = 2,89 ≈ 2 (Число мод должно быть

целым. Округление проводим в меньшую сторону, так как новая мода с номером 3 еще не возникает). Для ответа на вопрос о числе мод учитываем наличие еще одной моды с номером m = 0 . Ответ: общее число мод N = 2 + 1 = 3 .

8.3.Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки для того, чтобы выполнялось условие полного отражения на границе раздела сердцевина - оболочка, и волна распространялась в волокне.

8.8. Увеличение разности показателей преломления n1 − n 2

приводит в итоге к увеличению межмодовой дисперсии, что, в свою очередь, приводит к искажению импульса при распространении в волокне).

8.9. а) NA = 0,109 , Ω m = 6,26o , б) NA = 0,26 , Ω m = 15o .

9.7. Сначала необходимо определить нормированную частоту

ло мод в градиентном волокне определяем по формуле

9.8. 10,9 мкм. (Указание: одномодовый режим для оптического волокна наблюдается при выполнении условия V < 2,405 ).

10.6. Вычисляем межмодовую дисперсию по формуле

159

личение числовой апертуры приводит к увеличению межмодовой дисперсии.

11.7. пскм .

11.9.На данный момент - нет, так как поляризационная модовая дисперсия носит случайный характер.

11.10.Хроматическая дисперсия, нормированная на километр,

14.3. 5 мкс.

17.7.Можно выделить два важных отличия. Во-первых, в полупроводниковом лазере обязательно присутствует резонатор. Во-вторых, лазер работает при более высоких токах, превышающих пороговый ток.

160