Экспериментальное определение лазерных параметров.

Как показано выше, порог, мощность, к.п.д., условия оптимального режима генерации и другие лазерные характеристики определяются набором одних и тех же параметров. К ним относятся коэффициент внутренних оптических потерь удельный коэффициент усиления плотность нулевого тока внутренний квантовый выход генерации

Для выяснения основных каналов потерь энергии в лазерах и для поиска путей снижения порога и увеличения мощности генерации разработана экспериментальная методика определения лазерных параметров [594, 600, 608]. Если пренебречь величиной то эта задача сильно упрощается. Измерение зависимости порога от коэффициента потерь позволяет сразу же найти [591].

Для экспериментального определения параметров достаточно поставить два опыта. Во-первых, путем изменения длины диода или коэффициентов отражения зеркал резонатора измерить и построить график зависимости от во-вторых, найти значение при котором достигает максимума Эти опыты непосредственно дают значения правых частей уравнений:

Здесь тангенс угла наклона прямой — отсекаемый ею отрезок ординаты.

Для нахождения внутреннего квантового выхода генерации необходимо дополнительно измерить в абсолютных единицах и воспользоваться формулой (21.2). Если измерено при нескольких значениях то можно пользоваться выражением

Параметры и можно найти также, если измерить внешний квантовый выход генерации нескольких значениях и построить график зависимости от

В указанных координатах формула (21.21) служит уравнением, прямой, которая по оси ординат отсекает отрезок, равный а тангенс угла наклона определяется отношением [630].

Экспериментальные исследования внутренних параметров были выполнены в работах [594, 608, 609, 631, 632]. Квантовые генераторы изготовлялись из арсенида галлия -типа, легированного теллуром с концентрацией электронов Диффузия цинка проводилась в механически полированные пластины, ориентированные по плоскости (111), в отпаянных кварцевых ампулах при температуре с избыточным давлением мышьяка.

Глубина залегания -перехода составляла Резонаторы типа Фабри — Перо изготовлялись скалыванием по плоскостям Две другие стороны обрабатывались шлифовальным порошком Диоды с помощью прижимных контактов укреплялись на залуженный индием медный хладопровод криостата с жидким азотом. Излучение возбуждалось прямоугольными импульсами тока длительностью 1 мксек и частотой следования 60 гц.

Для определения изменялась длина исходного длинного диода путем последовательного откалывания слоев толщиной

Такая методика измерений позволила свести к минимуму вариации параметров из-за неоднородности пластины, -перехода и других факторов, который не контролируются при изготовлении серии диодов.

Как правило, в диодах на основе арсенида галлия, наблюдается линейная зависимость от обратной длины резонатора 1/1 (рис. 114). Это справедливо до некоторого значения

Рис. 114. Зависимость плотности порогового тока от обратной длины резонатора GaAs лазерного диода [608]

Если длина диода больше наблюдается значительный разброс точек функции и тенденция к росту Для различных диодов значение 10 изменялось от 3,5 до Лазерные параметры определялись для диодов, у которых

Экспериментальные кривые зависимости от I для одного из диодов при двух значениях тока приведены на рис. 115. Максимум кривых в соответствии с (21.19) сдвигается с увеличением плотности тока в сторону меньших длин диодов. При отклонении от оптимальной длины отношение уменьшается быстрее, чем это следует из формулы (21.2). Вероятно, в этом случае внутренний квантовый выход генерации начинает зависеть от длины диода. Значения параметров для различных диодов приведены в табл.

Как видно из таблицы, параметр принимает большие значения и мало отличается от порога для длинных диодов. Вместе с тем величина а на порядок больше, чем коэффициент внутренних оптических потерь

Порог и мощность генерации в инжекционных лазерах в значительной степени зависят от технологии изготовления -переходов. В работе [631] исследована серия из 25 диффузионных и эпитаксиальных гомолазеров на основе GaAs. Часть диодов подвергалась высокотемпературному отжигу, который обычно снижает порог генерации.

Наиболее типичные результаты приведены в табл. 6. Из нее следует, что в результате отжига как в диффузионных, так и в эпитаксиальных диодах произошло увеличение удельного коэффициента усиления дифференциального внутреннего квантового выхода и коэффициента внутренних оптических потерь Параметр уменьшился в 5—6 раз в

Рис. 115. Зависимость от длины диода при а/см2: 1—2000; 2— 3000 [612]

Таблица 5 (см. скан) Значения для GaAs диффузионных диодов при

эпитаксиальных и почти на порядок в диффузионных лазерах. Дополнительно в таблице приводятся значения величины которая помимо оптических потерь включает также слагаемое и значительно отличается от

Как уже отмечалось [628], дифференциальный внутренний квантовый выход генерации определяется в основном неоднородностью области рекомбинации и прежде всего пятнистой структурой ближнего поля. Исследования показывают, что в результате термообработки уменьшается плотность дислокаций вблизи -перехода. Ближнее поле становится более однородным, и генерируют некоторые новые участки активной области, которые не генерировали до термообработки. Это и приводит к увеличению

Удельный коэффициент усиления и величина характеризуют эффективность создания инверсной заселенности в

Таблица 6 (см. скан) Внутренние лазерные параметры и плотности пороговых токов в эпитаксиальных (Э) и диффузионных (Д) GaAs диодах при температуре жидкого азота

диоде. Эти параметры определяются концентрацией и распределением по энергетическим уровням носителей тока в активной области. В результате термообработки активный слой становится, по-видимому, более компенсированным, что также должно заметно уменьшать значение и несколько изменять величину

Показателем качества волноводной структуры инжекционного лазера служит параметр Как видно, величина в результате отжига во всех случаях увеличивается. В то же время параметр а может как увеличиваться, так и уменьшаться [633]. Ухудшение волноводных свойств диода согласуется с наблюдаемым расширением светящейся области. Однако в настоящее время трудно однозначно указать причины увеличения Имеющаяся литература по волноводным свойствам диодных лазеров не дает возможности прямо связать изменения скачков диэлектрической проницаемости с изменениями структуры активной области в результате термообработки.

Таким образом, уменьшение порога после отжига обусловлено уменьшением и увеличением Мощность излучения возрастает вследствие увеличения и уменьшения Если бы не увеличивались внутренние оптические потери то можно было бы ожидать еще большего увеличения мощности и уменьшения порога генерации в результате термообработки.

Вслед за первым экспериментальным определением величины [594] этот параметр был измерен в [634] и для диффузионного диода на основе GaAs оказался равным а/см2. Затем было измерено при комнатной температуре. В диффузионных и эпитаксиальных GaAs лазерных диодах и гетеролазерах значения соответственно равны 3950, 19500 и 2000 а/см2 [635]. Таким образом, результаты теоретических расчетов, приведенных в § 20, количественно и качественно подтверждены на опыте.