11.2.4. Частотные характеристики

Рассмотрим возможность высокочастотной модуляции лазера, в частности случай, когда ток превышает пороговый, а синусоидальная модуляция накладывается на постоянную составляющую тока. В

большинстве типов лазеров, кроме лазеров с очень узкой полоской, зависимость глубины модуляции от частоты имеет резонансный характер. Как видно из рис. 11.7, величина резонансной частоты меняется с изменением тока накачки, но остается в районе Резонансный характер этой зависимости объясняется взаимодействием между избыточными носителями и оптическим излучением в резонаторе, т. е. имеется два резервуара, между которыми может происходить обмен энергией. Позже проведем аналогию с другими резонансными системами. В частности, можно провести сравнение с электрическим резонансным контуром, в котором происходит обмен энергией между катушкой индуктивности и конденсатором. Действительно, характеристики, приведенные на рис. 11.7, напоминают резонансную кривую параллельного колебательного контура (рис. 11.8).

Происхождение лазерного резонанса можно объяснить следующим образом. Увеличение тока с некоторой задержкой приводит к росту концентрации носителей. Повышенная концентрация в свою очередь вызывает возрастание рекомбинационного излучения, которое, опять с задержкой, увеличивает индуцированную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей. Наличие задержек приводит к тому, что это падение проходит через равновесное значение и поцесс становится колебательным. Собственная частота системы зависит от оптической постоянной времени и постоянной времени рекомбинации Однако взаимодействие нелинейно, так что анализ усложняется, а резонансная частота оказывается зависящей, как это видно из рис. 11.7, от того, насколько ток накачки превышает пороговое значение Приведенные графики можно аппроксимировать теоретической зависимостью

где

Рис. 11.7. Типичная зависимость мощности модулированного оптического излучения от частоты модуляции.

Резонансное значение возрастает и сдвигается в высокочастотную область, так как растет превышение тока над порогом

Рис. 11.8. Параллельный резонансный контур

Рис. 11.9. Типичный звон, наблюдающийся в импульсном лазере.

Временная задержка определяется временем нарастания концентрации носителей до лазерного порога и временем установления уровня оптической мощности. Поскольку система обладает резонансными свойствами, появляется звон

Краткое объяснение этого выражения приведено в приложении 6, и более полное обсуждение — в гл. 17 (см. также [10.1]

Оптическая постоянная времени фактически представляет собой время жизни фотона в резонаторе, ее смысл можно объяснить следующим образом. Общие оптические потери на единицу длины резонатора выражаются формулой

где — коэффициент рассеяния; I — длина резонатора; коэффициенты отражения на торцах резонатора. Можно использовать это соотношение, чтобы записать оптические потери за единицу времени

Если типичное значение (см. гл. 10), тогда при не. Поскольку не (см. гл. 8), то при можно ожидать резонансную частоту

Электрон-фотонный резонанс играет важную роль также и при включении лазера. Предположим, что ток включается мгновенно Величина скачка может не доходить до порога или превышать его. В силу резонансного характера лазера такой скачок тока приводит к звону, как показано на рис. 11.9. Хотя максимальное значение тока

оказывает некоторое воздействие на увеличение частоты звона и сужение спектра, значительно существеннее величина смещения. По мере возрастания тока смещения от нуля до порогового значения и далее временная задержка уменьшается, звон усиливается, и средняя за время импульса ширина спектра сужается. Поэтому обычно работают при малых превышениях над порогом.

Можно из простых теоретических предпосылок выразить время задержки через ток смещения пороговый ток и время рекомбинации определяемое выражением (9.2.6). На практике измеряют для определения величины Предполагается, что ток возрастает достаточно быстро от до некоторой новой величины превышающей пороговое значение. Плотность электронного тока в активном слое двойной гетероструктуры приводит к увеличению концентрации электронов в соответствии с

где соответственно, площадь и толщина активного слоя, а кроме того, пренебрегается утечкой через второй гетеропереход и дырочным током. Исходная равновесная концентрация электронов

концентрация на пороге.

где Решение уравнения (11.2.7) даст

Подставляя (11.2.9) в (11.2.10), получаем

т. е.

Ясно, что по мере того, как можно ожидать При таком анализе предполагается, что х не зависит от электронной концентрации. При выполнении условия сильной инжекции (см. § 9.2) скорость рекомбинации пропорциональна и можно показать, что

Было обнаружено, что лазеры с волноводным усилением при ширине полоски менее не проявляют осцилляций генерации, показанных на рис. 11.9. Это говорит о более мягком режиме возбуждения. Такие приборы подобны суперлюминесцентным диодам. Резонансы сильно подавляются спонтанным излучением и характеристики становятся

Рис. 11.10. Переходная характеристика узкополосного лазера

подобными характеристикам светодиодов на двойной гетероструктуре, в которых время нарастании излучения определятся временем жизни носителей Это иллюстрируется рис. 11.10. Однако даже при работе с узкополосковыми лазерами, которые «не звенят», желательно использовать близкое к пороговому смещение, чтобы свести к минимуму необходимое Вменение напряжения и связанный с дополнительный ток для зарядки емкости диода.

Во всех лазерах влияние изменений температуры на выходные характеристики (см., например, рис. 11.6) приводит С необходимости поддерживать уровень смещении вблизи порога, а максимальное значение — в соответствии с требуемой выходной мощностью. В оптических волоконных системах обычно излучение, выходящее через заднее зеркало, направляют на фотодиод, что позволяет контролировать и уровень смещения и выходную мощность. Типичная система с обратной вязью показана на рис. 11.11. Импульсы тока, поступающие на лазерный диод, на который подано предварительное смещение порядка

Рис. 11.11. Типичная схема управления лазерным диодом с контролем порогового уровня и импульсной мощности

10 мА, получаются от стандартной интегральной схемы. При использовании GaAs лазера можно получить скорость передачи информации свыше бит/с