Экспериментальное определение спектра усиления активной среды на основании универсального соотношения (7.18).

Спектр усиления, мощность люминесценции и разность квазиуровней Ферми для электронов и дырок в активной области инжекционного лазера относятся к величинам, которые трудно измерить на опыте. Теоретический расчет может дать только приближенные значения этих величин, поскольку ряд исходных данных, в частности плотности состояний, между которыми совершаются оптические переходы, вероятности неоптичееких переходов и потери люминесценции, как правило, точно неизвестны.

При накачках, превышающих пороговую, коэффициент усиления в активной области обычно определяется только для частоты генерации, где он равен коэффициенту потерь. Относительно квазиуровней Ферми для электронов и дырок достоверно известно только, что их разность больше, чем энергия генерируемых квантов света (соотношение (19.5)). Основная трудность в определении абсолютного значения мощности люминесценции внутри диода связана с тем, что неизвестно, какая доля от общего излучения выходит из диода и может быть зарегистрирована прибором.

Методика экспериментального определения абсолютных значений и в лазерных диодах на основе универсального соотношения предложена в работе [654]. Для лазерных диодов обычно выполняются неравенства поэтому соотношение (7.18) упрощается:

Если измерить на опыте в относительных единицах спектр люминесценции, то, варьируя на основании (22.15) легко рассчитать серию кривых В лазерных диодах генерация осуществляется на частоте коэффициент усиления на которой достигает максимального значения. Поэтому, измерив из серии кривых следует выбрать ту, которая имеет максимум усиления в точке Значение для этой кривой и будет искомым расстоянием между квазиуровнями Ферми. Учитывая далее, что в точке выполняется условие находим абсолютное значение по всему спектру в пределах измеренной полосы люминесценции. После определения и по формуле (22.15) рассчитывается спектр люминесценции в абсолютных единицах. Площадь, ограниченная кривой и осью частот равна интегральной по частоте мощности люминесценции.

Данная методика определения применима только в том случае, если регистрируемый спектр люминесценции по форме совпадает со спектром люминесценции, которая содержится в активном слое и не искажена усиленной люминесценцией. Излучение, выходящее из зеркал резонатора, при больших токах инжекции всегда искажено (см. рис. 108), и поэтому необходимо измерять люминесценцию, которая выходит из боковых граней диода. Путем матирования боковых граней и уменьшения ширины диода измеряемый спектр может быть максимально приближен к спектру люминесценции внутри диода.

В работе [654] ширина диода выбиралась так, чтобы при ее дальнейшем уменьшении для заданного значения плотности тока форма спектра люминесценции не изменялась. Измерения проводились на диодах из арсенида галлия, технология изготовления которых и методика определения параметров описаны в работе [594].

На рис. 118 приведен спектр люминесценции, выходящей из области -перехода перпендикулярно оси резонатора, при плотности тока Длина диода площадь -перехода и коэффициент внутренних оптических потерь Энергия генерируемых фотонов и коэффициент потерь были равны На рисунке приведены также три кривые для коэффициента поглощения, построенные для различных близких значений Как легко видеть, положение минимумов кривых весьма чувствительно к изменению Поэтому основным источником ошибок в определении расстояния между квазиуровнями Ферми в данном методе будут погрешности в измерении спектра люминесценции. Если предположить, что спектр люминесценции измерен точно,

Рис. 118 Коэффициент усиления и мощность люминесценции в активной области лазерного диода

тогда в исследованном диоде находим значение так как кривая к имеет минимум в частоте генерации при этом значении Значения в различных точках спектра приведены на рисунке, а интегральная по частоте мощность люминесценции равна

Полученные значения можно использовать в свою очередь для оценки эффективной ширины люминесцирующей области с помощью равенства

где частота в максимуме полосы люминесценции; внутренний квантовый выход люминесценции.

Подставляя в (22.16) значение находим что весьма близко к наблюдаемой толщине светящейся области диода Это служит косвенным подтверждением правильности найденных абсолютных значений величин