Разновидности спонтанного излучения

October 9, 2011 by admin Комментировать »

Излучательные переходы, т. е. переходы электронов с одного квантового уровня на другой, сопровождающиеся испусканием квантов света—фотонов, являются основой больщинства фундаментальных процессов в оптоэлектронных устройствах. Существуют два различных механизма, в ходе которых может происходить испускание фотонов: спонтанное и вынужденное излучение. Впервые эта терминология была введена в работе Эйнштейна (Einstein, 1917).

Вынужденное излучение применяется в полупроводниковых лазерах и суперлюминесцентных светодиодах. В 1960-х гг. было показано, что режим вынужденного излучения позволяет радикально менять излучательные характеристики полупроводников. Первым примером применения вынужденного излучения были полупроводниковые лазеры, работающие при комнатной температуре (Hayashietal., 1970) О, и суперлюминесцентные светодиоды (Halletal., 1962).

Термин спонтанное излучение подразумевает, что процессы рекомбинации происходят самопроизвольно, без какого-либо внешнего влияния, и на самом деле считалось, что процесс спонтанного излучения неконтролируемый. Однако при изучении микроскопических оптических резонаторов, пространственные размеры которых сопоставимы с длиной волны излучения, была найдена возможность управления такими характеристиками спонтанного излучения, как интенсивность, спектральная чистота и направленность. Управление этими характеристиками позволяет повышать быстродействие, яркость и эффективность полупроводниковых излучающих устройств. В работе (Joannopolous, 1995) дан обзор резонаторов и приведены характеристики их спонтанного излучения.

В настоящее время реализовано довольно много типов микрорезонаторов с различными структурами и активными средами. В работе (Purcell, 1946) описана структура первого микрорезонатора для излучения волн в ВЧ-диапазоне, основными элементами которого были

‘) См. приоритетные работы Ж. И. Алферова [1, 2].

малые металлические сферы. Но это было теоретическое предложение, сообщений о его практической реализации не найдено. В 1980-х и 1990-х гг. было изготовлено несколько вариантов микрорезонаторных структур с разными типами оптически активных сред. В них использовались излучающие среды на основе органических кристаллов (DeMartinietal., 1987; Suzukietal., 1991), полупроводников (Yablonivitchetal., 1988; Yokoyamaetal., 1990), диоксида кремния, легированного редкоземельными элементами (Schubertetal., 1992b; Huntetal., 1995b), полимеров (Nakayamaetal., 1993; Dodabaiapuretal., 1994). Были продемонстрированы изменения временных, пространственных и спектральных характеристик спонтанного излучения в этих активных средах.

В начале 1990-х гг. появились первые инжекционные светодиоды с резонаторами, созданные на основе твердых растворов GaAs (Schubertetal., 1992b), aчуть позже были продемонстрированы светодиоды на основе органических материалов (Nakayamaetal., 1993). В обоих исследованиях применение резонаторов приводит к сужению спектральной линии излучения. Преимущества светодиодов с резонаторами по сравнению с традиционными светодиодами заключаются в большей яркости свечения, повышенной спектральной чистоте и более высокой эффективности. Например, было показано, что светодиоды с резонаторами обладают более чем на порядок большей плотностью спектральной мощности (Huntetal., 1992, 1995b).

В работе (Deppe, Lei, 1992) проанализировано изменение оптического усиления поверхностно-излучающих лазеров с вертикальными резонаторами при увеличении интенсивности спонтанного излучения. При сравнении макрорезонаторов, длина которых намного больше длины волны излучения, с микрорезонаторами

оказалось, что при типичной ширине спектральной линии излучения GaAs, равной при комнатной температуре 50 нм, оптическое усиление может быть увеличено в 2-4 раза. Повышение усиления в структурах с микрорезонаторами дает возможность снижать пороговый ток лазера.

Важно отличать излучение внутри резонатора от излучения, выходящего из него. Интенсивность спонтанного излучения внутри резонатора и излучения, выходящего через один из отражателей за его пределы, могут значительно различаться. В резонаторах со средними значениями коэффициента отражения при усилении спонтанного излучения внутри резонатора происходит увеличение вывода излучения за его пределы. Однако при существенном повышении коэффициента отражения резонатора (Jewelletal., 1988) суммарный выход излучения за его пределы снижается(Schubertetal., 1996). В предельном случае использования зеркал с очень высоким коэффициентом отражения (i?i= i?2 100) выход излучения за пределы резонатора становится практически равным нулю. Далее этот эффект будет обсуждаться более подробно.

 

в работах (Kobayashietal.,1982, 1985) рассматривается устройство, в котором происходит усиление спонтанного излучения только одного типа волн. Такое устройство получило название лазера с нулевым порогом(Yokoyama,1992) и одномодового светодиода(Yablonovitch,1994). В обычном лазере только небольшая часть спонтанно излученных фотонов участвует в увеличении поля внутри резонатора. Остальные фотоны покидают резонатор через боковые стенки. Идея беспорогового лазера довольно проста. Она заключается в использовании резонатора с пространственными размерами, равными длине волны излучения, в котором существует только одна мода оптических колебаний. В таком резонаторе все фотоны, испускаемые как за счет спонтанного, так и вынужденного излучений, приводят к усилению оптической моды. В беспороговом лазере практически отсутствует порог генерации, который четко виден на зависимостях выходной мощности излучения от тока в обычных лазерах, что и является основным различием спонтанного и лазерного режимов работы. Очевидно, что лазеры с нулевым порогом имеют широкую область применения. Однако на практике они до сих пор реализованы не были, хотя имеются сообщения о попытках их создания (Yokoyamaetal., 1990;Yokoyama,1992;Numaietal.,1993).

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