План Общая информация о полупроводниковых лазерах 3 Применения полупроводниковых лазеров 4 (стр. 3 из 4)

Толщина активного слоя в лазерах на двойной гетероструктуре всегда менее одного микрометра. В результате в активном слое может возбуждаться только низшая поперечная

пересекающая мода. Число поперечных боковых мод зависит от ширины резонатора, но ширина полоски также важна. В гетеролазерах со скрытым гетеропереходом боковое ограничение излучения значительно больше, чем в лазерах других конструкций.

Рис.6. Спектр генерации GaAlAs-гетеролазера с управляемым коэффициентом

преломления при различных токах накачки

В полосковых гетеролазерах с шириной полоски более 20 мкм наблюдают резкий переход через лазерный порог, после чего возбуждаются моды высокого порядка. С ростом уровня инжекцнн выходная мощность лазера растет линейно, пока разогрев активного элемента не приведет к некоторому насыщению выходной мощности. Но в целом процесс гораздо сложнее: происходит распределение усиления, способствующее возникновению самофокусировки излучения и формированию шнуров внутри лазерного резонатора. При уменьшении ширины полоски до 20 мкм и менее возрастают потери для мод высоких порядков. Тогда сразу за порогом генерации 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 приводит к увеличению порога возбуждения мод высоких порядков до уровней, превышающих возможности лазера. Наличие боковых поперечных мод оказывает влияние на пространственное распределение интенсивности лазерного излучения и на ширину его спектра.

В ближнем поле излучения лазера при уширении полоски наблюдается тенденция к образованию шнуров (рис. 7). В дальнем поле при возбуждении только низшей поперечной пересекающей моды в направлении, перпендикулярном плоскости перехода, наблюдается единственный максимум. Угловая расходимость излучения зависит от толщины активного слоя и скачка коэффициента преломления в гетероструктуре. На рис. 7. показана зависимость угла расходимости 0х от толодины активного слоя для разных

значений относительной разности коэффициентов преломления Л. При существенном уменьшении толгщшы активного слоя поперечные моды проникают в слои покрытия активной области, что приводит к увеличению лазерного пятна (см. рис. 7) на выходном торце лазерного диода, Поэтому с уменьшением толщины активного слоя будет уменьшаться угол расходимости. При Д = 8,7 % и d = 50 нм угол 0i равен 30°. При угле 0 _L = 30° толщина активного слоя с уменьшением относительной разности коэффициентов преломления будет возрастать. Если в гетеролазере со скрытой гетероструктурой 0~30°, то оказывается возможным получить дальнее поле в виде круга.

Применяемые в настоящее время полосковые гетеролазеры с управляемым коэффициентом преломления могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Рис. 7. Распределение интенсивности излучения GaAlAs-гетеролазера в ближней и

дальней зонах при разной ширине полоски

Если лазерный диод на основе GaAlAs излучает в непрерывном режиме мощность свыше 6...9 мВт на квадратный микрометр излучающей поверхности, то плотность энергии внутри активного элемента такова, что на частично отражающих гранях диода начинаются химические реакции. Зеркальные грани постепенно тускнеют в результате образования аморфного оксида. По истечении определенного времени работа лазерного диода ухудшается и он выходит из строя. При плотности 20...25 мВт на квадратный микрометр поглощение излучения на гранях скола приводит к возникновению процесса термического испарения. Поверхность при этом нагревается до 1500 К, начинается

плавление полупроводникового материала и лазерный диод вьгходит из строя. Пределы на максимальную выходную мощность лазерных диодов с катастрофической деградацией зеркал могут быть смягчены одним из трех способов:

1) увеличением размера лазерного пятна с целью увеличения размеров поверхности, подвергающейся воздействию излучения. Это позволяет увеличить мощность излучения до наступления деградации;

2) покрытием грани лазерного диода материалом с низким коэффициентом отражения для увеличения отношения пропускаемой мощности к падающей и, следовательно, к увеличению отношения излучаемой мощности к мощности внутри резонатора;

3) предотвращением поглощения лазерного излучения зеркалами, что позволяет не допустить деградации при высоких мощностях излучения.

Рис.7. Результаты расчета угла расходимости 0 выходного пучка гетеролазера по уровню половинной мощности (кружками отмечены экспериментальные значения 0 ) при =1,31 мкм; -отношение толщины активного слоя к длине волны

Для увеличения размера лазерного пятна в активном элементе изготавливается большая оптическая полость в виде светопгюводящего слоя, расположенного непосредственно под активным слоем. Основная часть светового потока распространяется по оптической полости, в то время как излучение подводится из активного слоя, расположенного выше. Большинство лазерных диодов с управляемым коэффициентом преломления имеют лазерное пятно размерами 3 мкм в ширину и 0,6 мкм в высоту, что существенно больше размеров толщины активного слоя, поскольку примерно 50 % излучения проходит в покрывающих слоях. Такие лазеры могут надежно работать только при мощностях, не повышающих 3...5 мВт. Описанным выше способом поперечнный размер может быть увеличен до 1,5 мкм, а ширина до 6 мкм. Увеличение размера лазерного пятна приводит к уменьшению расходимости лазерного луча. Так, лазер на основе GaAlAs при размерах пятна 3 мкм в ширину и 0,6 мкм в высоту дает эллиптический луч с расхождением = 12° и 0_Х = 45°, в то время как лазерные структуры с увеличенным размером лазерного пятна дают более узкие лучи:

Наиболее перспективные мощные одномодовые лазеры на основе GaAlAs, работающие при длинах волны менее 900 нм, делятся на три основных типа: структуры с большим оптическим резонатором, структуры с тонким активным слоем и структуры с непоглощающими зеркалами.

Рис. 8. Ватт-амперные характеристики Ga А1 As-гетеролазеров:

1 - лазеры с большим оптическим резонатором;

2 - лазеры с тонким активным слоем;

3 - лазеры с зеркалами

Основной характеристикой, определяющей эффективность лазерного диода, является ватт-амперная характеристика (рис. 8). Большинство мощных лазеров на основе GaAlAs достигают порога генерации при токе смещения 50... 100 мА, причем выходная оптическая мощность лазера увеличивается до тех пор, пока не начинается разрушение излучающей грани. В общем случае наиболее эффективными являются лазеры с большим оптическим резонатором (рис. 8, кривые 1) по сравнению с лазерами с тонким активным слоем (рис. 8, кривые 2). Наивысшая эффективность преобразования электрической энергии в световую для этих лазеров составляет 35 %, а при наличии антиотражающего покрытия на передней грани их эффективность возрастает на 50...70 %. Лазеры с непоглощающими зеркалами менее разработаны из-за технологических сложностей их изготовления (рис. 8, кривые 3).

В лабораторных условиях достигнута мощность излучения свыше 100 мВт в непрерывном режиме работы. Но стабильно работают мощные лазерные диоды в течение 10000 ч при уровне мощности от 15 до 30 мВт. Этот уровень мощности ограничен главным образом тепловыми эффектами.

Дальнейшее улучшение характера распределения линий тока под контактом, улучшение качества материалов и теплового режима работы лазера позволит достичь надежного уровня мощности в непрерывном режиме до 30...40 мВт в промышленных лазерных структурах. Использование антиотражательных покрытий позволит еще поднять мощность до 50...60 мВт.

Важным применением лазеров на основе GaAlAs с высокой мощностью являются волоконно-оптические распределительные системы связи, например, системы распределения данных в компьютерных сетях, цифровые телевизионные сети. В таких системах мощные лазеры могут распределять информацию на количество терминалов, в десять раз превышающее возможности имеющихся в настоящее время локальных сетей.

Наиболее важное применение мощные лазеры в настоящее время нашли в оптических записывающих системах, которые обещают оказать сильную конкуренцию магнитным лентам и дискам в записи и хранении информации в связи с их большей емкостью.

Скорость записи данных достигает рекордных величин и составляет 60 мегабайт в секунду- Мощные лазерные диоды на основе GaAlAs могут существенно снизить стоимость и размеры быстродействующих лазерных принтеров. Для этих целей использовали гелий-неоновые газовые лазеры, которые являются громоздкими и имеют коэффициент преобразования мощности ниже 0,1 %. Лазерные диоды компактные и имеют величину коэффициента преобразования мощности от 10 до 20 %, т.е. лишь 5-10 электронов требуется в лазерном диоде для генерации одного фотона.