Схем. Характеристики интегрально-оптических

Лазерный эффект

Если выполнены условия инверсии населенностей и существования высокой плотности фотонов, то возникает процесс селекции, который изменяет характер излучения и в результате которого появляется значительное количество стимулированного излучения. При наличии соответствующей оптически резонирующей структуры может иметь место лазерный эффект.

Полупроводниковые лазерные структуры

Обычно используемая структура для дискретных полупроводниковых лазеров представляет собой прямоугольный параллелепипед, аналогичный представленному на рисунке 10, который изготавливается путем скалывания кристалла вдоль плоскостей кристаллической решетки, которые перпендикулярны светоизлучающему слою. Например, для изготовления такой структуры пластина GaAs <100> может легко раскалываться по четырем перпендикулярным плоскостям <110>.

Типичная длина L и ширина W составляют 300 и 50 мкм соответственно, однако возможны значительные отклонения от этих величиню. Две торцевые поверхности шириной W образуют оптически резонансную отражательную структуру, известную как эталон Фабри-Перо. При исполь- зовании такой структуры увеличение накачиваемой мощности будет приводить к лазерному эффекту, если превышен определенный критический пороговый уровень.

Рисунок 10 - Полупроводниковые лазерные структуры: а - накачиваемый через p-n переход лазерный диод; б - накачка электронами или фотонами. Штриховые линии ограничивают зону максимальной накачки.

Пороговый уровень для лазерного эффекта

По мере возрастания от нуля накачиваемой мощности увеличивается число фотонов, испускаемых за счет спонтанной эмиссии. Даже если мощность накачки превышает требуемую для создания инверсной населенности, излучение вначале преимущественно состоит из спонтанно образующихся фотонов. Спонтанные фотоны излучаются более или менее одинаково во всех направлениях, как показано на рисунке 10. Тем не менее, большинство этих фотонов начинает свой путь в направлениях, которые очень быстро выводят их из области с инверсной населенностью, где может происходить преимущественная стимулированная эмиссия, и, таким образом, они оказываются неспособными воспроизводить самих себя. Некоторые фотоны, случайно бегущие вдоль области с инверсией населенности, оказываются способными создавать себе подобные фотоны много раз за счет стимулированной эмиссии, прежде чем они покинут лазер. Кроме того, для любой данной энергии межзонной щели и распределения дырок и электронов будет существовать одна особая энергия (длина волны), которая является преимущественной (переходы более вероятны) по сравнению с другими. Эта длина волны или энергия обычно соответствует в первом приближении длине волны пика спонтанного излучения в материале. В результате этих

преимуществ по энергии и направлению, когда возникает стимулированное излучение, испускаемое излучение сужается как по пространственной расходимости, так и по спектральной ширине полосы (уменьшающейся от нескольких сотен ангстрем приблизительно до 2,5 нм). Заметим, что после возникновения стимулированного излучения расходуется больше электронно-дырочных пар в пересчете на 1 с. Следовательно, для любой данной скорости генерации электронно-дырочных пар спонтанное излучение подавляется, поскольку стимулированное излучение расходует генерируемые пары прежде, чем они спонтанно рекомбинируют. Такое преобладающее стимулированное излучение, как оно было описано, известно как суперлюминесцентное излучение. Это еще не когерентное излучение света, производимое за счет лазерного эффекта. Такое излучение обусловлено усилением спонтанного излучения. Фотоны не движутся точно в одном направлении; они могут слегка отличаться по энергиям, но не синхронизованы по фазе. Иными словами, излучение еще некогерентно.
В том случае, когда светоизлучающая область ограничена параллельными плоскостями, как показано на рисунке 10, будет иметь место некоторое отражение от поверхностей и, кроме того, часть излучения будет проходить назад и снова вперед через область с инверсной населенностью и еще более усиливаться. Чтобы отразиться назад и затем вперед в узком слое инверсной населенности, фотоны должны быть строго в плоскости этого слоя и двигаться в направлении, строго перпендикулярном поверхностям Фабри-Перо. Излучение также должно быть однородным по частоте и фазе, чтобы избежать деструктивной интерференции, так как отражатели Фабри-Перо формируют резонаторную полость, в которой устанавливаются оптические моды. Таким образом, только та малая часть суперлюминесцентного излучения, которая удовлетворяет всем этим требованиям, продолжает существовать и становится доминирующей разновидностью излучения, выходящего из лазера. Такое излучение, однородное по длине волны, фазе, направлению и поляризации, является когерентным. Под поляризацией понимается направление колебаний электрической составляющей световой волны, детектируемое с помощью двулучепреломляющих материалов и фотоприемников. В этом случае говорят, что устройство обладает лазерным эффектом.
Переход от суперлюминесценции к лазерному эффекту (по мере нарастания входной мощности) принимается как точка, при которой усиление преимущественной моды за счет стимули- рованной эмиссии становится больше поглощения и всех других потерь фотонов, так что излучение при отражении проходит туда и обратно между поверхностями Фабри-Перо, возрастая по интенсивности при каждом проходе (т. е. устанавливаются осцилляции). Конечно, излучение не будет нарастать по интенсивности до бесконечности. По мере роста оно вызывает больше рекомбинаций до тех пор, пока концентрации дырок и электронов не будут использоваться с той же скоростью, с какой они образуются при данном источнике накачки, т. е. пока не установится динамическое равновесие. В этом стационарном состоянии лазер генерирует на одной пиковой длине волны (или, возможно, нескольких дискретных длинах волн, соответствующих различным продольным модам), излучение его имеет высокую монохроматичность (приблизительно ширину полосы 0,1 нм); внутри кристалла возникает стоячая волна с целым числом полуволн, укладывающихся между поверхностями Фабри-Перо для каждой моды. Вследствие описанной ранее селективности по направлениям отражающих торцевых поверхностей фотоны лазерной моды излучаются преимущественно в направлении, перпендикулярном отражающим поверхностям, как показано на рисунке 11.

Рисунок 11 - Полупроводниковые лазеры, работающие при накачке, превышаю щей порог генерации: а - накачка током в р-n переходе; б - накачка электронами или фотонами.

Световые волны (фотоны), излучаемые из такой резонансной структуры, находятся в фазе, и, кроме того, волны, которые могут наиболее легко распространяться, являются волнами с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости слоя инверсной населенности. Следовательно, излучаемый свет в этом случае является нормально поляризованным.

Переходы между областями спонтанной, суперлюминесцентной и лазерной эмиссии по мере возрастания накачиваемой мощности происходят очень резко. Действительно, хотя переход между суперлюминесценцией и лазерным излучением был описан в деталях с педагогической целью, реальный переход в обычном лазере настолько быстрый, что суперлюминесцентное излучение не наблюдается. Когда накачиваемая мощность превышает пороговую точку, характер светового излучения резко изменяется и приобретает лазерный тип генерации с убыванием полосы излучения от нескольких десятков нм до 0,1 нм и с наблюдаемой когерентностью фазы. Промежуточная стадия
«суженной» полосы излучения, возникающая за счет преимущественно стимулированного излучения без когерентности по фазе (т. е. суперлюминесцентная), проходит настолько быстро, что ее невозможно наблюдать. Только в лазерных диодных структурах с поврежденными отражателями Фабри-Перо, которые сдерживают лазерный эффект, можно наблюдать суперлюминесцентное излучение.