11.1. ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛОСКОВЫХ И ЗАРОЩЕННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ЛАЗЕРОВ
11.2.1. Лазерные моды
Активная область полоскового лазера образует прямоугольную полость, играющую роль резонатора для лазерного излучения. В таком резонаторе может существовать несколько типов колебаний (мод), каждый из которых характеризуется своей частотой. На этих частотах может возбуждаться лазерная генерация и, следовательно, такие составляющие появятся в выходном излучении лазера. Каждая мода характеризуется тремя целыми числами 
которые соответствуют числу максимумов распределения электромагнитного поля по трем взаимно перпендикулярным направлениям внутри резонатора (рис. 11.3).
На рис. 10.11 были показаны провалы в спектре спонтанного излучения. Отдельные линии соответствуют частотам продольных мод. В упрощенном виде условие резонанса соответствует целому числу полуволн, укладывающихся на длине резонатора. В действительности вопрос усложняется характером изменения диэлектрической проницаемости на границах, формой распределения усиления внутри резонатора, наличием свободных носителей, которые вызывают локальные изменения коэффициента преломления, и локальными изменениями температуры. Если не учитывать эти эффекты, легко показать, что
Рис. 11.3. (см. скан) Моды резонатора: а - схематическое изображение полоскового лазера с обозначениями индексов основных мод и распределением плотности мощности; б - распределение в ближней зоне для основной поперечной пересекающей моды; в — распределение в ближней зоне для основной боковой поперечной моды и моды второго порядка 
расстояние между продольными модами обратно пропорционально длине резонатора. Условие продольного резонанса
где k — продольное модсвое число; 
длина волны 
моды в свободном пространстве; 
групповой показатель преломления полупроводника на этой длине волны; 
длина лазерного резонатора. Подставив 
получим для частоты 
моды
Таким образом, межмодовое расстояние
Или в предположении, что 
При 
и длине резонатора 
и 
Толщина активного слоя в лазерах на двойной гетероструктуре всегда менее одного микрометра. В результате в резонаторе может возбуждаться только низшая поперечная пересекающая (transverse) мода. Число поперечных боковых 
мод принципиально зависит от ширины резонатора, но ширина полоски также важна. Из предыдущего параграфа ясно, что оксидное изолирование и протонная бомбардировка вызывают значительно меньшее боковое ограничение излучения, чем зарощенная гетероструктура.
В лазерах с шириной полоски более 20 ... 30 мкм обычно наблюдается довольно резкий переход через порог, после чего возбуждаются моды высокого порядка. С ростом тока накачки выходная мощность растет линейно до тех пор, пока разогрев не приведет к некоторому насыщению. На самом деле процесс не так прост — распределение усиления способствует возникновению самофокусировки, благодаря чему излучение концентрируется в нити внутри лазерного резонатора. При уменьшении полоски до 20 мкм и менее возрастают потери для мод высоких порядков. Тогда сразу за порогом появляется только основная поперечная боковая мода. При дальнейшем увеличении тока накачки появляются боковые поперечные моды высоких порядков по мере достижения их порога возбуждения. Уменьшение ширины полоски до 10 мкм и менее увеличивает пороги мод высоких порядков до уровней, превышающих возможности лазера. Наличие боковых поперечных мод оказывает влияние как на лространственное распределение, так и на ширину спектра лазерного излучения.
Можно пользоваться двумя способами описания пространственного распределения. Распределение в ближней зоне соответствует изменениям плотности мощности по выходному торцу лазера, как показано на рис. 11.3. В ближней зоне обнаруживается тенденция к
образованию нитей при уширении полосковых лазеров. Распределение в дальней зоне относится к характеристикам направленности генерируемого излучения. Тот факт, что возбуждается только низшая поперечная пересекающая мода подтверждается тем, что в направлении, перпендикулярном плоскости перехода, наблюдается единственный максимум
Рис. 11.4. (см. скан) Распределение интенсивности в ближней и дальней зоне при разной Ширине полоски. H. Yonezu et al. A GaAs-AUGajAs double heterostracture planar stripe laser, Jpn -J. Appl. Phys. 12, 1585-29 (1973).]
как в ближней, так и в дальней зоне. Угловая расходимость излучения зависит от толщины активного слоя и скачка показателя преломления в гетеростр уктуре. Обычно диапазон углов, в котором интенсивность превышает половину максимальной, составляет примерно 40°. Некоторые типичные распределения в ближней и дальней зоне в плоскости, параллельной переходу, показаны на рис. 11.4. Как можно заметить, в этой плоскости расходимость не превышает 5 ... 10° для режима работы с низшими модами.
