Основные характеристики полупроводникового инжекционного лазера

Работа диода в лазерном режиме связана с одним из важнейших параметров лазерного диода – пороговой плотностью тока. При подаче на диод прямого смещения с увеличением плотности инжекционного тока j возрастает разность между электронным и дырочным квазиуровнями Ферми. Образующиеся при рекомбинации носителей заряда фотоны случайны во времени, имеют различную энергию (рисунок 3.9) и направление распространения (рисунок 3.10, кривая 1).

Рис. 3.9. Изменение спектра излучения полупроводникового G аА s -лазера при увеличении тока выше порогового	Рис. 3.10. Диаграмма направленности излучения полупроводникового лазера при токах инжекции ниже (1) и выше (2) порогового

Среди фотонов есть такие, которые распространяются в плоскости р – n -перехода. Взаимодействуя с инжектированными носителями заряда, они вызывают вынужденное излучение. Количество таких фотонов увеличивается с ростом прямого смещения и плотности тока через диод. Очевидно, что при этом повышается коэффициент квантового усиления β. Когда j достигает значения j _пор, начинает выполняться условие (3.25), диод переходит в лазерный режим генерации излучения. При этом можно записать, что  (где  – некоторый коэффициент – фактор усиления, [cм/А]). Из уравнения (3.25) можно получить выражение для j _пор:

                                  (3.35)

Минимальная плотность тока через прибор, при которой начинает выполняться условие (3.35), называется пороговой плотностью тока. В инжекционных лазерах j _пор составляет 10³–10⁴ А/см² (Т =300 К).

При токах, выше порогового, выполняется условие инверсной населенности (рисунок 3.3, б). При этом происходит резкое сужение спектральной полосы излучения (рисунок 3.9, кривая 2) и диаграммы направленности (рисунок 3.10, кривая 2).

Важными параметрами прибора являются квантовый выход и коэффициент полезного действия (КПД). Внешний квантовый выход равен отношению числа фотонов, излучаемых в единицу времени во внешнюю среду, к числу электронно-дырочных пар, прошедших за это же время через р– n -переход:

                               (3.36)

где N _ф и N _изл – число фотонов, генерируемых у р – n -перехода и излученных во внешнюю среду; η _int и η ₀ – внутренний квантовый выход и коэффициент вывода света.

Коэффициент полезного действия лазера определяется отношением излучаемой мощности к потребляемой:

                                    (3.37)

где i и и – соответственно ток и напряжение на р – n -переходе.

В оптимальных условиях КПД инжекционных лазеров достигает 70%. По величине КПД полупроводниковые инжекционные лазеры превосходят газовые и твердотельные лазеры, у которых он равен соответственно тысячным и сотым долям процента, но инжекционные лазеры генерируют излучение, когерентные свойства которого ниже по сравнению с другими типами лазеров. Так, время когерентности составляет 10^-7–10^-6 с, а расходимость пучка доходит до величин порядка 5-10^-2 рад (нескольких градусов). Это объясняется малыми размерами резонатора (порядка 1 мм), дефектами кристалла и т. д.