Излучатели. Требования к излучателям

1. Излучатели

Излучатель – прибор, преобразующий электрическую
энергию возбуждения в энергию оптического
излучения заданного спектрального состава и
пространственного распределения

2. Требования к излучателям

• Высокая эффективность преобразования энергии
возбуждения в энергию оптического излучения (кпд).
• Узкая спектральная полоса.
• Направленность излучения.
• Быстродействие (быстрое возникновение и гашение
излучения).
• Совместимость с интегральными схемами.
• Высокая технологичность и низкая стоимость.
• Высокие эксплуатационные характеристики
(устойчивость к механическим, температурным,
радиационным воздействиям, долговечность).
• Миниатюрность, твердотельность.
• Когерентность.

3.

• Монохроматичность
Количественная характеристика монохроматичности – степень
монохроматичности Δν/ν или Δλ/λ.
• Когерентность (от лат. находящийся в связи) –
согласованное протекание во времени и пространстве
нескольких колебательных или волновых процессов,
проявляющееся при их сложении.
Колебания называются когерентными, если разность их фаз
остается постоянной (или закономерно меняется) во времени (и
пространстве) и при сложении колебаний определяет
амплитуду суммарного колебания.
Колебательные процессы являются полностью когерентными,
когда амплитуда, частота, фаза начальная, направление
вектора поляризации неизменны во времени (и пространстве).

4.

Количественной мерой когерентности двух световых колебаний (или двух точек
волнового поля) является функция взаимной когерентности Г12 или ее
нормированное представление γ12 – степень взаимной когерентности.
12 E1 t E 2 t
12 12
I1 I 2
I I1 I 2 2 Re 12 I1 I 2 2 I1 I 2 Re 12
12
I I I I 2 при I I ,
12
1
2
при
2
1
I1 I 2 ,
1
2
где
I max I min
I max I min
ког 1 спектральная ширина излучения ,
l ког с ког с 2 ,
v ког s ког l ког ,
s ког 0,3 2 Da Da угловой диаметр излучателя в радианах

5. Полупроводниковые инжекционные лазеры (лазерные диоды)

6.

ΔE=eV
d=
D
V
Eg
e

7.

8.

Лазерный диод на двойном
гетеропереходе:
а – профиль показателя
преломления;
б – поперечное сечение
пучка;
в
–
зонная
структура
полупроводника с двойным
гетеропереходом.

9. Факторы, способствующие уменьшению пороговой плотности тока в GaAs-лазере.

1.
2.
3.
Показатель преломления GaAs (~ 3,6) значительно больше
показателя преломления AlGaAs (~ 3,4), что приводит к
образованию оптической волноводной структуры. Отсюда следует,
что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в
слое GaAs, т. е. в области, в которой имеется усиление.
Ширина запрещенной зоны в GaAs (~ 1,5 эВ) значительно меньше,
чем ширина запрещенной зоны в AlGaAs (~ 1,8 эВ). Поэтому на
обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые
эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в
активном слое, т.о. концентрация электронов и дырок в активном
слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление.
Поскольку ширина запрещенной зоны в AlGaAs значительно
больше, чем ширина запрещенной зоны в GaAs лазерный пучок с
частотой E g h почти не поглощается в AlGaAs. Поэтому
крылья поперечного профиля пучка, заходящие как в р-, так и в nобласти, не испытывают там сильного поглощения.
1

10.

Al x Ga1 x As / GaAs
0,45 x 0,8
0,75 0,88 мкм
0,85 мкм
In1 x Gax As y P1 y / InP
y 2,2 x 0,92 1,55 мкм 1,3 мкм 1,55 мкм
In1 xGax As y P1 y активная среда
In0,72Ga0, 28 As0,60 P0, 40 1,3 мкм
In0,60Ga0, 40 As0,88 P0,12 1,55 мкм

11. Для существования лазерной генерации необходимы:

1.
2.
3.
Активная среда.
Система накачки.
Положительная обратная связь.
Резонатор Фабри-Перо в лазерном диоде
состоит из двух сколотых граней с
коэффициентом отражения
4.
5.
2
.
n 1
R
0,3
2
.
n 1
Электрическое, электронное и оптическое
ограничения соответствующих зон.
Превышение некоторого порога возбуждения.

12.

Условие самовозбуждения лазера
l
R1 R2 exp g dx 1
0
R1 и R2 - коэффициенты отражения от граней резонатора;
g - коэффициент усиления активного слоя;
- потери на поглощение внутри резонатора;
l - длина резонатора;
- эффективный коэффициент зеркал резонатора или
R1 R2коэффициент
обратной связи резонатора.
g (1 / l ) ln[ 1 /( R1 R2 )]
ac n

13.

J пор
eBэфф d
1
A02
R1 R2
[ n (1 / l ) ln
2
]2
- коэффициент удержания света,
представляющий собой отношение
энергии, заключенной внутри активного
слоя, к мощности поперечной выходной
моды излучения;
А0 - коэффициент пропорциональности
между усилением g и концентрацией
носителей N в активном слое;
е - заряд электрона;
Bэфф
- эффективный
коэффициент рекомбинации;
d - толщина активного слоя.
-Пасхалочка)))
J пор d
d
2n
Зависимость пороговой
плотности тока от толщины
активного слоя GaInAsP/InP
лазера (λ=1,3 мкм) при
комнатной температуре
(контакт по всей поверхности).

14.

Дифференциальный квантовый выход
Pизл / h dP
d
I / e
VdI
I / e
Pизл / h
d
- число носителей заряда, инжектированных в единицу времени в
активную область,
- число фотонов, излучаемых лазерным резонатором в единицу
времени.
(1 / l ) ln
st (1 R1 )
(1 R1 R2 ) (1 R1 R2 (1 / l ) ln
кпд P
st
изл
I прU пр
1
R1 R2
1
R1 R2

15.

I пор exp( T / T0 )
T0 - характеристическая
температура, зависящая
от конкретного диода

16. Расходимость

α┴ (или α‫≈) ׀׀‬0,4λ/dопт
Диаграмма распределения
интенсивности излучения
полупроводникового
полоскового лазера.
=30 - 60°
11 =10 - 30°

17.

Поперечные моды
искажают однородность пространственного распределения интенсивности
(следовательно, пространственную когерентность) излучения.
d /( 2n1 2 )
(n12 n22 ) /( 2n12 )
Селекция поперечных мод в
направлении, параллельном
pn-переходу, обеспечивается
полосковой геометрией
Продольные моды
в оптическом резонаторе нарушают монохроматичность (следовательно,
временную когерентность) излучения
m c 2 L
h R Pвых
R Q
Селекцию продольных мод
осуществляют, помещая
внутрь резонатора
дисперсионные элементы
(дифракционные решетки)

18. Полосковые лазеры – - это полупроводниковые инжекционные лазеры, в которых активная область (область генерации) выполнена в

виде полоски
Конструкция, в которой состав лазерного кристалла однороден в
горизонтальном поперечном направлении, а свет распространяется в
соответствии с распределением усиления называется полосковым лазером
с управляемым усилением.
Полосковые лазеры с управляемым усилением с полоской, изготовленной
инжекцией протонов (а), и с планарной полоской (б), 1 – область инжекции
протонов; 2 – электрод; 3 – активный слой; 4 – подложка; 5 – р+ - область
диффузии цинка.

19.

Лазер, имеющий распределение коэффициента преломления, сосредоточенное
в направлении, параллельном поверхности перехода, называется лазером с
управляемым коэффициентом преломления.
Структура лазера с селекцией поперечных мод: а - ВН-лазер со скрытой
гетероструктурой; б – TJS-полосковый лазер с поперечным pn-переходом;
в – планарный полосковый CSP-лазер с канализированной подложкой;
г – плосковыпуклый PCW-лазер.

20. Полосковые лазеры обеспечивают:

• уменьшение рабочего тока;
• эффективную селекцию поперечных мод в
направлении, параллельном p-n-переходу;
• устойчивую работу лазера.
Выбирают ширину полоски
2 – 20 мкм