Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Оптоэлектронные микро- и наноструктуры». Свистова Т.В

Ток в прямом направлении при его изменении от 10-10 до 10-3 А хорошо описывается известным соотношением Iпр ~ exp(eU/2kT). При больших токах на вольт-амперную характеристику начинают влиять разогрев и паление напряжения на контактах и в приконтактных областях.

Типичные спектры излучения ДГС-лазера приведены на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Изменение спектра излучения ДГС – лазера с изменением тока накачки.

Ширина полоски 0,3 мкм; Iпор = 50 мА

44

В лазерах с широким контактом или с большой шириной полоски в зависимости выходной мощности от тока накачки могут наблюдаться характерные изломы, вызванные нестабильностью работы. В полосковых лазерах с узким контактом эти неприятности отсутствуют.

Спектр излучения при токах ниже порогового представляет собой сравнительно широкую полосу, обусловленную межзонными или квазимежзонными спонтанными переходами

вактивной области гетеролазера. При приближении к порогу

вспектре излучения возникает модовая структура, которая при токе вблизи порогового проявляется очень отчетливо (рис. 4.3). Этот режим работы называется сверхлюминесценцией или суперлюминесценцией: в активной области создана инверсия населенности, но ее еще не хватает для начала генерации, т.е. еще не выполнено условие самовозбуждения. При J > Jпор спектр излучения сужается, увеличивается направленность и когерентность излучения. При изменении плотности тока накачки возможен перескок с одной моды на другую. При увеличении тока накачки максимум спектральной зависимости показателя усиления сдвигается в коротковолновую область. Одновременно при больших J происходит нагрев кристалла, за счет чего спектр сдвигается в длинноволновую область. Часто второй эффект преобладает над первым.

На рис. 4.4 приведена ватт-амперная характеристика лазера на гетероструктуре и спектры излучения в разных ее точках. Если в активной области лазера имеются факторы, приводящие к неоднородному уширению спектральной линии люминесценции (например, неоднородность состава по площади активного слоя), то даже в полосковом РОДГС-лазере велика вероятность генерации в многомодовом режиме с участием нескольких продольных мод.

По ватт-амперной характеристики, возможно, определить значение порогового тока. На начальном участке характеристики, соответствующем спонтанной эмиссии, интенсивность

45

излучения (пропорциональная току детектора) медленно растет с увеличением тока, протекающего через диод, а после возбуждения лазерной генерации резко возрастает. Экстраполяция этой кривой к нулевому значению мощности, дает значение порогового тока (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Ватт-амперная характеристика ДГС-лазера

Диаграмма направленности инжекционного лазера

(рис. 4.6) определяется теми же факторами, что и у лазеров других типов. Для основной моды угол расходимости дается соотношением

46

Рис. 4.5. Определение порогового тока по ватт-амперной характеристике

где β – числовой коэффициент порядка единицы; его точное значение зависит от распределения амплитуды поля, а также от способа, которым определены θD и d. Так как поперечные размеры активной области в полупроводниковых лазерах очень малы, то дифракционная расходимость будет велика.

Рис. 4.6. Диаграмма направленности и картина дальнего поля ДГС-лазера

47

В плоскости, перпендикулярной активному слою, она будет определятся толщиной области оптического ограничения D, а в плоскости p-n-перехода – шириной области генерации или шириной полоски W в полосковом лазере. Так как D < W, то угол расходимости излучения в плоскости p-n-перехода θ будет меньше, чем в перпендикулярной плоскости θ . Картина излучения полоскового гетеролазера работающего в одномодовом режиме, в дальней зоне представляет собой эллипс, расширяющийся в направлении, перпендикулярном поверхности слоя. Типичные значения θ = 30 – 60 и θ = 10 – 30 . Для его фокусировки могут быть использованы цилиндрические линзы.

Важное влияние на характеристики лазера оказывает температура. Наиболее сильно она влияет на пороговый ток и мощность излучения, что вызвано в основном двумя причинами. Во-первых, с увеличением температуры происходит «размазывание» носителей по энергии. Во-вторых, с увеличением температуры обычно происходит снижение эффективности люминесценции в активной области (температурное гашение люминесценции), приводящее к уменьшению квантового выхода и времени жизни неравновесных носителей заряда в активном слое. Поэтому в полупроводниковых лазерах следует самое серьезное внимание уделять теплоотводу. Обычно температурная зависимость пороговой плотности тока в области Т > 250 К приближенно описывается экспоненциальной функцией.

Изменение ширины запрещенной зоны с температурой вызывает сдвиг спектра лазерного излучения. Если лазер работает в многомодовом режиме, то увеличение температуры приводит к плавному смешению огибающей спектра в длинноволновую область. Если лазер работает в одномодовом режиме, то увеличение температуры будет приводить к скачкообразным изменениям λген, определяемым перескоком с одной моды на другую при изменении ширины запрещенной зоны.

48