Перестройка частоты ДЛ начинается с выбора твердого раствора

Перестройка частоты ДЛ начинается с выбора твердого раствора - материала.

Поперечные размеры условно (и традиционно) разделяются на поперечные (transverse) и боковые (lateral). В ДЛ с широкой активной областью из-за самофокусировки P Ne n P может происходить каналирование или пинчевание вынужденного излучения. В излучателе может работать несколько независимых каналов-лазеров.

Schematic diode laser cross sections showing common waveguide structures. ADVANTAGES OF STRIPE: « « Better field better spectrum SMALLER HEAT RESISTANCE higher reproducibility of parameters (smaller variations with current 1 filament) STILL IT DID NOT OPERATE @ room temp.

Полосковая структура: а) устраняет множественность каналов генерации (оставляет один); б) улучшает спектральные характеристики и временную когерентность, но не гарантирует фундаментальной моды и одночастотного режима генерации; в) улучшает пространственную когерентность, но не обеспечивает симметричного распределения поля с одним максимумом; г) улучшает теплотвод

Баланс мощности диодного лазера ТОК НАКАЧКИ Джоулево тепло Перенос носителей Тепловыделение Нагрев лазера и теплоотвода Резонансное поглощение в активной области Инжекция носителей в активную область Рекомбинация носителей Излучательная рекомбинация Излучение, выходящее из активной области Поглощение в пассивных областях Безызлучательная рекомбинация Поглощение излучения Спонтанное излучение «Плохие» фотоны Шумовоеое (спонтанное) излучение «Хорошие» фотоны Фотоны Индуцированное излучение Электроны Выходная мощность Фононы

Основной источник тепла – перепоглощение. Дополнительные: Джоулево тепло, безизлучательная рекомбинация.

Плотность состояния в валентной зоне много больше, чем в зоне проводимости контур линии усиления в основном определяется функцией Ферми, положением квазиуровня Ферми, температурой и плотностью состояний в зоне проводимости.

Линия спонтанного излучения шире линии усиления, а ее максимум сдвинут в коротковолновую область.

E v – Fv > E c – Fc → Fc – Fv > E c – E v ΔF > EG ABSORPTION: ~ B ρvfv ρc (1 – fc) ρ c , fc STIM. EMISSION: ~ B ρcfc ρv (1 – fv) ST. EM. : – ABC > 0 fc (1 – fv) > fv (1 – fc) → fc – fv > 0 ρ v , fv

С ростом тока накачки (до порога) максимум линии усиления смещается в коротковолновую область, а выше порога – в длинноволновую (из-за нагрева).

eik 2 L = 1

В линию усиления попадает до сотни продольных мод.

THRESHOLD gain = Σ losses N = NTRANSPAR. gain = distr. losses Fig. 2. 6 Light-current (L-I) curve shown schematically for a strongly index guided In. Ga. As. P laser The dashed line represents the onset of power saturation corresponding to a sublinear increase of power with the current. [N] = cm– 3 V – объем акт. обл.

В отсутствие накачки – резонансное поглощение (аналогично лазерам на самоограниченных переходах). Характерные уровни накачки: а) резонансное поглощение компенсируется резонансным усилением. б) усиление = распределенным потерям (j = j∞) в) усиление = всем потерям – порог генерации Скоростные уравнения

N Power ~ NP NTR CURRENT ITRANSP I∞ ITHR gain is supressed by α N – NTP < 0 No gain

После достижения порога, концентрация слабо меняется (замораживается).

Kroewer H. Proc. IEEE 51 (1963) 1782 Алферов Ж. И. Казаринов Р. Ф. Авт. Свид. СССР № 28448 1963 Алферов Ж. И. и др. ФТТ, 9 (1967) 279 Алферов Ж. И. и др. ФТТ, 1 (1967) 436

Двойная гетероструктура P – Ga. As не Ga. Al!

В центральном активном слое ширина запрещенной зоны меньше, а показатель преломления больше, чем в обкладочных: Eg (Ga. As) < Eg (Ga. Al. As) → локализация неравновесных носителей, инверсии и усиления. n (Ga. As) > n (Ga. Al. As) → волновод, локализация света. Структура зон показана для случая смещения.

Волновод: отражение на стенках. nакт. Sinθакт = nоткл. Sinθоткл = π/2 ПВО: Sinθакт ≥ nоткл/nакт

Решение одномерной (в поперечном направлении) задачи (в боковом направлении ∞). Показан случай несимметричного волновода. Для такого несимметричного плоского волновода при уменьшении толщины наступает отсечка фундаментальной моды. Нет решения в виде бегущей волны. Для симметричного волновода такое решение есть всегда, даже при d → 0, но при этом и Γ → 0.

Фактор оптического ограничения и скоростные уравнения.

Влияние уменьшения толщины активной области на плотность порогового тока. Есть минимум пороговой плотности. Ne ~ J/d, но Γ при d , Так что есть две противоположные зависимости Ne , Γ

Зависимость числа мод и поперечного распределения поля от безразмерного параметра 2π(d/λ)Δn. Сплошная линия – фундаментальная мода.

Другой вариант двойной гетероструктуры (для применений в линиях связи). In. P – In. Ga. As. P – In. P (1, 3 мкм) Активная область – четверной раствор.

Типичный ДГС лазер.

Зависимость пороговой плотности тока от ширины полоска. При малых ширинах сказывается растекание поля в боковом направлении.

Волноводный эффект в боковом направлении из-за скачка показателя преломления (index guiding) и из-за направляющего эффекта усиления (gain – guiding)

Gain GG M M ·I It’s bad « « BEAM IS ASTIGMATIC PROBLEMS WITH FOCUSING′ NEAR FIELD M. B. UNSTABLE MANY MODES TOP VIEW. THE WAIST IS INSIDE I M M SIDE VIEW THE WAIST IS AT THE MIRROR

Комбинация gain guiding в боковом направлении и index guiding в поперечном приводит к астигматизму излучения.

Повтор вариантов gain – guiding.

Лазер, излучающий с поверхности (с «вертикальным» резонатором) Лазер, излучающий с краев (традиционная геометрия)

gain [см– 1] Gain Guiding 2 · 1018 см– 3 Index Guiding 1, 44 1, 38 1, 2 · 1018 см– 3 photon energy [ev]

Fig. 1. 9 Schematic illustration of (a) spontaneous-emission and (b) stimulated-emission processes where in an electron-hole pair recombines to generate a photon. In the case of simulated emission the two outgoing photons match in their frequency and direction of propagation. START COOKING! END hν 1 = hν 2 Δφ = 0

Band structure of Si and Ga. As photon momentum : n – retractive index ħk << ΔKLX

ATOM: DISCRETE LEVELS E CONDUCTION BAND E 3 hν = E 3 – E 2 INSULATOR METAL lines KT SOLID STATE: BANDS OF LEVELS E Eg FORBIDDEN GAP SEMOCONDUCTOR ALLOWED STATES BANDS OF LUM. Ga. As, In. P