7.3. Рабочие характеристики инжекционных ПКГ

Основными характеристиками лазерных диодов с резонаторами Фабри — Перо являются следующие:

— спектральные свойства, т. е. распределение излучения по частотам, интенсивность и ширина спектральной линии максимума излучения;

— пространственные свойства, которые характеризуются диаграммой направленности излучения диода (ближнее поле и дальнее поле);

— свойства, характеризующие эффективность диода (пороговый ток, мощность излучения, квантовый выход, к. п. д., надежность).

Эти свойства зависят от качества исходных материалов, перехода и контакта металлполупроводник, от структуры и геометрии активного элемента диода, от характера и концентрации примесей, от условий работы (температуры, механических напряжений).

Наиболее важным типом резонаторов ОКГ является оптический резонатор (типа Фабри — Перо). Большинство ПКГ, выпускаемых в настояще время промышленностью, имеют резонаторы этого типа. Поэтому здесь будут рассмотрены свойства лазерных диодов только с оптическими резонаторами. Поскольку основным материалом ПКГ является арсенид галлия, то все данные будут приводиться для диодов из GaAs.

7.3.1. Спектральные свойства

Процесс развития вынужденного излучения в диоде ПКГ по мере повышения тока накачки можно особенно наглядно проследить по спектральным свойствам излучения. На рис. 7.7 видно типичное сужение полосы спонтанного излучения и смещение максимума в сторону коротких волн по мере приближения к пороговому току. Кривая, соответствующая току 5 А, описывает характеристику излучения вблизи порога генерации. При лучшем разрешении и хорошем качестве отражающих поверхностей в спонтанном излучении вблизи порога можно

наблюдать структуру мод, вызываемых интерференцией в резонаторе Фабри — Перо. Расстояние между модами Да находится из условия интерференции

где — целое число. Дифференцируя это равенство по к и подставляя получаем для больших

Небольшое превышение тока над порогом приводит к резкому увеличению интенсивности когерентного излучения в одной из мод резонатора (рис. 7.8-7.9), чаще всего той, которая соответствует максимуму предшествовавшего некогерентного излучения. Дальнейшее повышение тока приводит к генерации излучения на других ближайших модах (рис. 7.10). Однако на практике часто спектральные характеристики излучения ПКГ не столь закономерны, особенно при значительном превышении тока накачки сверх порога (рис. 7.11). Выделяется несколько групп мод, число и положение которых зависит от величины тока накачки. Отклонение от идеальных характеристик происходит вследствие несовершенств технологии изготовления диода, т. е. недостаточно высокого качества материала перехода, плоскостей резонаторов, омических контактов и т. д., а также локальных повышений температуры.

Рис. 7.7. Зависимость спектра спонтанного излучения днода из арсенида галлия от величины порогового тока. Заметно сужение полосы и смещение максимума в сторону коротких волн.

Длина волны излучения существенно зависит от температуры; максимум спектра спонтанного излучения имеет почти ту же температурную зависимость, что и ширина запрещенной зоны, т. е.

где

Для арсенида галлия пик спонтанного излучения при возрастании температуры сдвигается в сторону длинных волн тоже на

Рис. 7.8. Структура мод в спектре спонтанного излучения ПКГ вблизи порога генерации.

Рис. 7.9. Сравнение спектральных характеристики излучения ПКГ чуть ниже и чуть выше порога генерации.

Смещение же отдельных мод вынужденного излучения имеет меньший температурный коэффициент. Например, сдвиг моды при составляет А/град. Для

Рис. 7.10. Пример спектральных характеристик диода с длиной резонатора 300 мкм, работающего в непрерывном режиме при температуре .

фосфида индия эти значения равны: смещение спонтанного излучения 1,6 А/град, сдвиг моды при составляет 0,55 А/град. Отсюда можно сделать вывод, что при возрастании температуры более коротковолновые моды выходят за пределы спектра спонтанного излучения и затухают, а интенсивность длинноволновых мод будет расти.

Рис. 7.11. Типичный спектр излучения диода из арсенида галлия, работающего в непрерывном режиме при температуре и токах значительно выше порогового.

Помимо изменения ширины запрещенной зоны повышение температуры приводит к изменению геометрических размеров активного слоя, коэффициента преломления и зависимости его от длины волны.

Температурную зависимость смещения мод можно выяснить, исходя из соотношения (7.32). Дифференцируя X по температуре и учитывая, что коэффициент преломления зависит и от длины волны и от температуры, получаем

Так как член, учитывающий линейное расширение, ничтожно мал, то температурная зависимость

модопределяется только зависимостью коэффициента преломления от температуры и длины волны:

Используя (7.33) и (7.36), находим температурную зависимость коэффициента преломления

Для арсенида галлия при и это изменение коэффициента преломления в зависимости от температуры равно

Заметное влияние на положение максимума излучения оказывает концентрация примесей в материале. Например, при и концентрации акцепторов изменение концентрации доноров с до смещает пик излучения с 1,48 до 1,475 эВ. Можно предположить, что такое смещение длины волны излучения связано с изменением ширины запрещенной зоны.