Беспороговые лазеры

August 29, 2011 by admin Комментировать »

В работе (DeMartinietal., 1987) даны ссылки на публикации, в которых описаны беспороговые лазеры и перспективы их использования в системах связи. Беспороговый лазер — это устройство, направляющее все свое излучение или большую его часть в фундаментальную моду пространственного резонатора. В этом случае режима генерации лазера можно добиться даже при минимальном усилении, если в резонаторе будет хотя бы один фотон. Пусть /3 — вероятность излучения света в фундаментальную моду пространственного резонатора (/3 иногда называют коэффициентом спонтанного излучения). Если коэффициент [3 близок к единице, зависимость интенсивности излучения светодиода от тока носит практически линейный характер и такой диод можно назвать беспороговым лазером. На рис. 15.14 для сравнения показаны зависимости интенсивности излучения обычного лазера, лазера с высоким коэффициентом (3 и беспорогового лазера. При попытках создания беспороговых лазеров на основе вертикальных резонаторов разработчики столкнулись с рядом проблем, лишь отчасти связанных с их изготовлением. Для построения таких устройств и получения высокой интенсивности излучения при плотностях тока ниже порогового значения недостаточно обеспечить сублинейную зависимость интенсивности излучения от тока с небольшим перегибом в области перехода от беспорогового режима к режиму лазерной генерации. Ниже порогового уровня тока скорость модуляции выходного излучения таких устройств будет очень низкой по сравнению с работой в режиме лазерной генерации. Поскольку коэффициент (3 никогда не бывает равен единице, для

Рис. 15.14. Зависимости интенсивности излучения обычного лазера, лазера с высоким коэффициентом /3 и беспорогового лазера. У обычного лазера наблюдается отчетливый порог по току. В лазере с высоким /3 этот порог выражен менее ярко. Однако при исследовании спектра излучения и частоты модуляции таких устройств наличие этого порога становится заметным. Гипотетический беспороговый лазер обладает коэффициентом /3 близким к единице, и для обеспечения режима лазерной генерации в его активной области надо поддерживать требуемый уровень плотности носителей и подавлять все моды излучений кроме основной

 

получения лазерной генерации система должна обладать некоторым усилением, для чего необходимо проводить накачку активной области. Для обеспечения условий режима лазерной генерации в активной области нужно поддерживать определенную плотность носителей, что фактически означает наличие некоторого порога.

Можно предположить, что внутренний квантовый выход устройств, в которых подавлены все оптические моды кроме основной, будет близок к идеальному. В этом случае даже при очень малом токе плотность носителей в активной области будет медленно расти до тех пор, пока активная область не станет прозрачной и будет преобладать только одна оптическая мода. Конечно, такие устройства будут обладать очень низким порогом лазерной генерации, но при этом им необходим достаточно большой промежуток времени для накопления требуемого пространственного заряда внутри активной области, чтобы сделать ее прозрачной для фотонов основной моды, т. е. беспороговые лазеры являются инерционными. К тому же даже при условии полного отсутствия основной моды при низких плотностях носителей в активной области, очень трудно добиться полного подавления других мод излучения, т. е. неизбежны потери инжектированных носителей. Практически невозможно добиться полного подавления бокового излучения, поэтому до настоящего времени полупроводниковые беспороговые лазеры являются гипотетическими устройствами.

Конечно, создать лазер с очень низким порогом генерации можно, но при этом он должен быть очень малых размеров, и его выходная мощность излучения будет весьма небольшой. У гипотетического одно- модового светодиода с активной областью из четырех квантовых ям без усиления, но с коэффициентом /3 близким к единице, плотность тока не может быть выше 50 мкА/мкм^ или 5 кА/см^. Используя формулу для нахождения коэффициента /3 для диэлектрического столбика (/3 > 0,5) и это значение плотности тока, находим, что мощность такого светодиода не может быть больше 2 мкВт. Очевидно, что этого слишком мало, чтобы такие устройства могли применяться в быстродействующих системах связи, работающих на скоростях 100-650 Мбит/с, для которых минимальная мощность излучателя должна быть не меньше 10 мкВт. В светодиодах с резонатором, обладающих большим внутренним усилением и вследствие этого малыми временами жизни носителей, ток накачки может быть больше, но, к сожалению, для изготовления таких полупроводниковых устройств в настоящее время нет технологической базы. Малые излучательные времена жизни носителей позволили бы светодиодам работать в лазерном режиме. При этом устройства обладали бы большей мощностью излучения, но из-за миниатюрных размеров и проблем с охлаждением они пока не реализованы. В заключение отметим:

—   диаметр светодиодов с резонатором должен быть больше 5-10 мкм, и при этом они должны оставаться многомодовыми излучателями;

—   размеры полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором должны определяться технологическими параметрами, а не величиной коэффициента /3;

—   поскольку спонтанное излучение является источником повышенных шумов, лазеры с высоким коэффициентом /3 могут остаться невостребованными.

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты