VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Ширина спектра лазерной генерации - это одна из самых важных является характеристик полупроводникового лазера. Ширина спектра лазерной генерации зависит как от параметров активной среды, так и от геометрических размеров и конструкции лазерного модуля. Определение ширины спектра генерации является важной задачей как с фундаментальной точки зрения, так и для многочисленных практических приложений [1]. В полупроводниковых полосковых лазерах спектр генерации обычно состоит из набора сравнительно узких линий, связанных с модами Фабри–Перо лазерного резонатора. Для расчета ширины спектра генерации лазера с квантовыми ямами часто применяется полуэмпирический подход, который требует наличия экспериментально определяемых констант для расчета параметров конкретной структуры. Ширина линии лазерной генерации может определяться следующими параметрами: шириной спектра усиления на пороге генерации, параметром насыщения, определяющим интенсивность спектральных провалов в спектре усиления [1], величиной однородного уширения и другими. В полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами температурное уширение линии лазерной генерации, величина однородного усиления, величина неоднородного уширения, спектральная ширина усиления и сама ширина спектра лазерной генерации представляют из себя величины одного порядка. В общем случае задача определения ширины спектра излучения решается численными приближенными методами. Причем для описания проблемы требуется большое количество параметров, не позволяющих провести ясную интерпретацию полученных результатов и создать ясную картину явления. В данной работе рассмотрена оценка ширины линии излучения полупроводникового лазера на гетероструктурах, использующая аналитические решения, позволяющие дать наглядное качественное истолкование полученных результатов.

Расчет ширина линии излучения лазерного резонатора

В простейшем случае оптический лазерный резонатор представляет собой два плоских зеркала, расположенных параллельно друг другу, между которыми находится усиливающая среда. Это и есть резонатор Фабри - Перо. Излучаемая в усиливающей среде волна отражается от зеркал и вновь возвращается в активную среду, вызывая индуцированное излучение. Одно из зеркал делается полупрозрачным для выхода части излучения [2].

Длина волны, которая может распространяться в резонаторе длиной d:

λp=2dp,

(1)

где р - целое число.

Соответствующее соотношение для частот

vp=pc2d,

(2)

где с - скорость света в вакууме.

Таким образом, в резонаторе могут существовать только волны, длина волны и частота которых определяется формулами (1) и (2), то есть резонатор осуществляет квантование частот.

При выполнении условия (1) или (2) циркулирующая внутри резонатора мощность резко возрастает:

a02=11-Ra12

(3)

где а₁ - амплитуда падающей волны, а₀ - амплитуда циркулирующей внутри резонатора волны, R - коэффициент отражения от зеркал резонатора. При использовании хороших зеркал 1 – R = 1 и циркулирующая внутри мощность может быть на много порядков больше входной мощности.

Полоса пропускания резонатора Фабри-Перо ∆λ – это расстояние между максимумами пропускания, выраженными в длинах волн [3]:

Δλ=Δffλ=λ22nd,

(4)

Таким образом, на длине волны 1550 нм с спектральная ширина линии излучения составляет (0.891.27)10^-14 м.

На рисунке 1 показаны спектральные линии, которые могут существовать в полупроводниковом лазере длиной d.

Рис. 1. Селекция спектральных линий в лазерном резонаторе. Параметры: длина резонатора d=1.5 мкм, ширина линии излучения =15 нм.

Рис. 2. Селекция спектральных линий в лазерном резонаторе на основе двойной гетероструктуры InAsSb/InAsSbP. Параметры: длина резонатора d=200 мкм, ширина линии излучения =1.510^-14 м.

На рисунке 2 приведены результаты расчета выделенных длин волн полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры InAsSb/InAsSbP .

Из рисунка 2 хорошо видно, что уменьшение длины резонатора приводит к увеличению расстояния между спектральными линиями в исследуемом диапазоне длин волн, так как, в соответствии с формулой (4) меняется не только длина резонатора d, но и номер p.

Выводы

В работе проведен расчет спектральных линий лазерного излучения в лазерном полупроводниковом резонаторе. Для полупроводникового лазера с квантовыми ямами задача нахождения ширины линии лазерного излучения является сложной и требует численных расчетов, использующих большое количество экспериментально определяемых параметров. Рассмотрен наглядный метод, позволяющий дать аналитическую оценку ширины линии лазерного излучения. Рассчитан спектр излучения лазерного резонатора Фабри-Перо для полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры InAsSb/InAsSbP.

Список литературы

1. Савельев А.В., Максимов М.В., Жуков А.Е. Ширина спектра лазерной генерации в лазерах на квантовых точках: аналитический подход // Физика и техника полупроводников, - 2011. – Т. 45, - В. 2. - С. 245-250.

2. Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики. Конспект лекций. – Самара: ГОУВПО ПГУТИ, - 2009. – 144 с.

3. Городецкий М. Л. Основы теории оптических микрорезонаторов. -М.: Из-во МГУ. - 2010. – 204 с.

4. Именков А. Н., Колчанова Н. М., Кубат П., Цивиш С., Яковлев Ю. П. Спектральная ширина линии излучения перестраиваемых током лазеров на основе InAsSb/InAsSbP при низкой температуре // Физика и техника полупроводников .– 2002 . – Т. 36, - N 5 . – С. 622-628.

Код для цитирования: Скопировать