12.2 Инжекционный лазер

В инжекционных лазерах используется p-n-переход, образованный вырожденными полупроводниками с разным типом электропроводности. На рис.12.1 показана энергетическая диаграмма такого p-n-перехода в состоянии равновесия, т.е. при отсутствии внешнего напряжения, а, следовательно и тока через переход. Уровни ферми ε_Fn ε_Fp совпадают.

При приложении прямого напряжения U₀ в p-n-переходе происходят следующие процессы.

Понижение потенциального барьера на величину U₀ увеличивает поток электронов из n-области и дырок из p-области через переход. Через p-n-переход потечет ток, и вблизи перехода установится некоторое распределение концентрации неравновесных носителей заряда.

С увеличением внешнего напряжения U₀ растут концентрации электронов и дырок в области перехода и, следовательно, увеличивается инверсия населенностей. При некотором пороговом напряжении, когда вынужденное излучение, вызванное спонтанным излучением, достаточно для компенсации потерь света в материале полупроводника и в отражающих поверхностях, наступит генерация. Таким образом, p-n-переход при малых токах является источником спонтанного излучения (светодиод), а при токах более порогового – источником когерентного излучения (лазер).

Широкое распространение получил инжекционный лазер на основе вырожденного арсенида галлия (GaAs) конструкция показана на рис.

Две грани полупроводника перпендикулярны плоскости p-n-перехода и образуют после полировки зеркала резонатора. Две другие грани наклонены к плоскости p-n-перехода , чтобы не создавать условий для самовозбуждения. Размеры сторон полупроводника порядка нескольких десятых долей миллиметра. Излучение выходит из боковой области p-n-перехода перпендикулярно параллельным граням полупроводника.

Излучение инжекционного лазера имеет большую угловую расходимость вследствие дифракционных явлений в резонаторе.

Спектр излучения инжекционного лазера зависит от выходной мощности, которая , в свою очередь, определяется плотностью тока черезp-n-переход.

12.3 Режим работы лазера, его кпд и особенности

1. Обычно инжекционные лазеры работают в импульсном режиме, при этом мощность в импульсе ограничивается перегревом кристалла и зависит от рабочей температуре и длительности импульса. Наибольшая импульсная мощность при температуре жидкого азота в лазерах GaAs составляла 100Вт при длительности импульса примерно несколько микросекунд и частоте следования примерно 10кГц. Основным достоинством инжекционных лазеров является возможность модуляции излучения изменением напряжения на p-n-переходе.

2. К.П.Д. полупроводникового лазера определяется как отношение мощности генерируемого излучения к мощности накачки η=η_внутрΔε/qU₀,

где η_внутр- внутренний квантовый выход рекомбинированного излучения. Он учитывает то, что все электроны рекомбинируют с излучением кванта света, а часть электронов рекомбинируют без излучения кванта света. Отношение Δε/qU₀ учитывает то обстоятельство, что энергия полученного кванта света приблизительно равна ширине запрещенной зоны Δε0 , а энергия, которую нужно затратить чтобы вывести из внешней цепи электроны и дырки, равна qU₀. Правильный выбор степени легирования и использование чистых материалов позволяет получить η_внутр близким к единице.

3. Особенностью полупроводниковых лазеров является сильная зависимость от температуры, КПД и мощности. Это объясняется рядом причин. Во-первых, с ростом температуры растет доля безизлучательной рекомбинации, что приводит к снижению η_внутр, во вторых, снижается разность населенности уровней.