Длина волны излучения
выбросыДлина волны лазера зависит от энергии, выделяющейся при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону, которая примерно равна запрещенной зоне E (эВ).
хф=Eg--(3.4)
Поскольку c=f, где f и λ — частота и длина волны излучаемого света соответственно, c=3 × 10⁻³ м/с, h=6.628 × 10⁻³ Дж·с и 1 эВ=1.60 × 10⁻¹ Дж, подстановка в уравнение (3-4) дает:
Поскольку ширина запрещенной зоны связана с составом и содержанием полупроводниковых материалов, на этом принципе можно создавать лазеры с разными длинами волн излучения.
Пороговые характеристики (P-I характеристики)
В лазерах, когда приложенный прямой ток достигает определенного значения, выходная оптическая мощность резко возрастает, что приводит к генерации лазера. Этот ток называется пороговым током и обозначается ε. Выходная характеристика типичного полупроводникового лазера показана на рисунке 3-6. Для стабильной и надежной работы чем ниже пороговый ток, тем лучше.
Рисунок 3-6 Выходные характеристики типичного лазера
Спектральные характеристики
Спектральные характеристики лазера в первую очередь определяются его продольными модами. Типичные спектральные кривые для много-модовых и одномодовых-лазеров показаны на рисунках 3-7a и 3-7b. Здесь λ0представляет длину волны, соответствующую пику продольной моды с максимальной мощностью излучения, называемую пиковой длиной волны, обычно 850 нм, 1310 нм и 1550 нм; ΔλA- это спектральная ширина лазера, определяемая как ширина длины волны, соответствующая огибающей продольной моды, уменьшающейся до половины максимального значения, также известная как полная ширина спектра на половине максимума (FWHM). Спектральную ширину одномодового-лазера также называют шириной линии. Спектральная огибающая многомодового лазера обычно содержит 3-5 продольных мод со значением Δλ примерно 3–5 мм; хороший одномодовый лазер имеет значение Δλ примерно 0,1 нм или даже меньше. Δλ — интервал длин волн между двумя точками спектральной линии, в котором спектральная мощность излучения продольной моды равна половине максимального значения.
Рисунок 3-7 Спектральные характеристики лазера
Для лазера с одной-продольной-модой коэффициент подавления боковой-моды (MSR) определяется как отношение мощности основной моды P0на вторичной стороне-режим мощности P0, и это мера гармонической чистоты лазера.
MSR=10lg(3-6) Спектр излучения лазера меняется в зависимости от условий эксплуатации. Когда ток инжекции ниже порогового тока, лазер излучает флуоресценцию широкого спектра; при увеличении тока до порогового происходит внезапное сужение спектра, увеличение интенсивности и возникновение генерации; при дальнейшем увеличении тока инжекции усиление основной моды увеличивается, а усиление боковых -мод уменьшается, число мод колебаний уменьшается и, наконец, появляется лазер с одной -продольной модой. Взаимосвязь между выходным спектром лазера и током инжекции показана на рисунке 3-8.
Рисунок 3-8. Зависимость между выходным спектром лазера и током инжекции.
Спектральная ширина также может быть представлена частотой. Основываясь на связи между частотой и длиной волны, мы можем получить:
Фотоэлектрический КПД
Фотоэлектрический КПД — это отношение электрической мощности к оптической мощности. Это можно выразить несколькими способами:
(1) Внутренняя квантовая эффективность. Лазеры излучают свет за счет рекомбинации электронов и дырок, инжектированных в активный слой, но не все инжектированные электроны и дырки могут подвергаться излучательной рекомбинации. Внутренний квантовый выход представляет собой отношение количества фотонов, генерируемых в активном слое, к числу инжектированных электронно--пар дырок, т. е. количество фотонов, генерируемых в единицу времени, - количество инжектированных электронно-{6}}пар дырок в единицу времени.
(2) Внешняя квантовая эффективность. Внутреннюю квантовую эффективность лазеров можно сделать очень высокой, некоторые даже приближаясь к 100%, но фактическое количество фотонов, испускаемых лазером, намного меньше, чем количество фотонов, генерируемых в активном слое. Частично это связано с тем, что фотоны, генерируемые в излучающей области, поглощаются другими материалами, а частично с тем, что волноводный эффект PN-перехода значительно уменьшает количество фотонов, которые могут покинуть границу раздела. Следовательно, внешняя квантовая эффективность, т.е. полная эффективность, определяется как: (3-8) число испускаемых фотонов r - количество инжектированных электронно-дырочных пар в единицу времени. (3-9)
Температурные характеристики
Характеристики порогового тока лазера и выходной оптической мощности в зависимости от температуры известны как температурные характеристики. Кривая, показывающая зависимость порогового тока лазера от температуры, показана на рисунке 3-9. Как видно из рисунка, пороговый ток увеличивается с ростом температуры.
Чтобы решить проблему температурной чувствительности лазера, в схеме возбуждения можно реализовать температурную компенсацию или использовать охладитель для поддержания температурной стабильности устройства. Обычно лазер комплектуется вместе с термистором, полупроводниковым охладителем и т. д., образуя компонент.
Термистор используется для определения температуры устройства и управления охладителем, обеспечивая автоматическое управление температурой с обратной-обратной связью.
Лазер с распределенной обратной связью
Лазеры с распределенной обратной связью (DFB-LD) — это тип лазера, способный генерировать динамически управляемые одномодовые-лазеры, также известные как динамические-лазеры. Это означает, что они представляют собой полупроводниковые лазеры, которые могут работать в одномодовом режиме при высокой-скоростной модуляции. Они создаются путем травления гофрированной периодической решетки вблизи активного слоя, обеспечивающего оптическое усиление, в гетеролазере. Принципиальная схема лазерной структуры с распределенной обратной связью показана на рисунке 3-10.
Рис. 3-10. Принципиальная схема распределенной противолазерной структуры.
