§ 21. МОЩНОСТЬ И К.П.Д. ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ

Рост люминесценции после преодоления порога.

Мощность генерации в общем случае выражается формулой (20.7). В неявном виде через функцию в ней содержится, зависимость порога и мощности генерации от радиационных шумов и нагрева диода.

В идеально однородном слое, находящемся при постоянной температуре, после преодоления порога скорости люминесценции и неоптических переходов остаются постоянными и не зависят от накачки (§ 19). Это следует из условия, что в режиме стационарной генерации при возбуждении выше порога коэффициент усиления кус, однозначно, связанный с остается равным коэффициенту потерь. Поэтому всякое увеличение скорости накачки будет компенсироваться равным увеличением скорости генерации. На этой основании функцию в (20.7) иногда считают постоянней и равной пороговому току.

В реальных диодах генерирующий слсий всегда меньше объема, в котором происходят процессы люминесценции и

Рис. 108. Спектры люминесценции, выходящей из зеркальных и из боковых грубо шлифованных граней (2) диода: [612]

неоптической рекомбинации. Даже в бездислокационных диодах с однородным ближним полем излучения к генерирующему слою со стороны р- и n-областей прилегают люминесцирующие слои. В рядовых диодах целые участки активной среды не охвачены генерацией, картина ближнего поля имеет пятнистую структуру.

Кроме того, с ростом тока диод греется, спектр усиления расширяется (§ 15). Можно ожидать, что некоторая часть тока у, превышающего порог, будет расходоваться на увеличение скорости люминесценции и безызлучательной рекомбинации в негенерирующих частях диода.

Для проверки этого предположения были поставлены специальные опыты: измерялась мощность краевой люминесценции GaAs диода, выходящей из боковых граней диода и не искаженной резонатором [608, 626]. Спектр люминесценции, выходящей из зеркальных граней резонатора, при увеличении плотности тока деформируется вследствие влияния резонатора и изменения коэффициента поглощения с током. В диодах с грубо шлифованными боковыми гранями и отношением длины к ширине превышающим единицу, спектр люминесценции из боковых граней оставался по форме, как правило, практически неизменным в некотором интервале значений вблизи и выше порога генерации.

На рис. 108 приведены спектры люминесценции, выходящей из зеркальных (1) и боковых (2) граней резонатора при одной и той же плотности тока через диод. На частоте инверсии (Оинв, для которой коэффициент усиления равен нулю, интенсивности люминесценции спектров 1 и 2 приняты одинаковыми. Спектр люминесценции, выходящей из зеркальных граней резонатора, сужен, усилена его длинноволновая часть.

Хотя форма полосы люминесценции из боковых граней диода практически не изменялась, ее мощность увеличивалась с током и после порога генерации (рис. 109), что означает увеличение функции после преодоления порога.

Бели на опыте наблюдается линейная зависимость мощности генерации от тока, то это однозначно показывает, что также линейная функция и ее можно представить в виде

где параметр, не зависящий от и показывающий, какая часть тока, превышающего порог, бесполезно расходуется и не дает вклада в генерацию.

Подставляя (21.1) в (20,7), получаем

Величина равна отношению числа испущенных в активном слое квантов стимулированного излучения к избыточному над порогом числу носителей тока, прошедших через -переход, и является дифференциальным внутренним квантовым выходом генерации

По аналогии с можно ввести понятие внешнего дифференциального квантового выхода генерации равного отношению числа вышедших из резонатора генерируемых квантов света к избыточному над порогом числу носителей тока, прошедших через активный слой. В соответствии с этим определением из (21.2) находим

Внешний квантовый выход генерации равен произведению на функцию выхода излучения

После преодоления порога мощность генерации резко возрастает с током, а рост спонтанного испускания заметно

Рис. 109. Зависимость интенсивности люминесценции, выходящей из боковой грани, от тока [626]

замедляется. При двух-трех порогах интенсивность стимулированного испускания на три-четыре порядка выше наблюдаемой электролюминесценции. Однако было бы ошибочно думать, что суммарная скорость спонтанной и неоптической рекомбинации в диоде также пренебрежимо мала. На самом деле она сравнима или даже больше суммарной скорости стимулированного испускания. Это связано с нитевидной структурой генерации. При сравнении скоростей стимулированного и спонтанного испускания следует учитывать, что функция выхода генерируемого излучения составляет обычно десятки процентов, в то время как только доли процента электролюминесценции выходят из диода и регистрируются прибором. Следовательно, параметр у может быть достаточно большим и его нельзя полагать равным нулю.

Если растет с током быстрее, чем линейно, то будет достигать насыщения и может начать уменьшаться вплоть до полного исчезновения генерации. Такой эффект, вызванный нагреванием диода, наблюдался на опыте [627]. Исследование нелинейного роста может оказаться полезным для выяснения физических процессов, происходящих в диоде. Однако поскольку в этой области к.п.д. резко падает, в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением только линейного приближения.