13-ma’ruza. Lazer diodlari, ularning xarakteristika va parametrlari

3.Lazer diodining ish prinsipi
Birlamchi spontan fotonlar quydagi energiyaga ega bo‘ladi:
ΔW_mesFn-W_Fp). (3.12)
Bu yerda ∆W_m.e.s- yarim o‘tkazgich materiali man etilgan energetik sohasining kengligi; W_Fn,W_Fp - n va p sohalardagi Fermi sathlari.
Spontan fotonlar majburiy nurlanish hosil qiladi. Biroq o‘z-o‘zidan uyg‘onadigan (qo‘zg‘oladigan) holatga erishish uchun nurlanishning teskari egallangan muhit bo‘ylab ko‘p marotalab o‘tishini, boshqacha qilib aytganda, teskari musbat bog‘lanish yuzaga kelishini ta’minlash zarur.
Buning uchun kiristallning kristalografik o‘qi bo‘yicha tekislangan rezonator ko‘zgusi vazifasini o‘taydigan ikkita o‘zaro parallel tekislik hosil qilinadi. Asosiy yo‘nalish bilan mos tushmaydigan yo‘nalishlarda nurlanishni yo‘qotish uchun kristallning boshqa ikki tomoni g‘adir –budir qilib tayyorlanadi.

W_cn



3.10-rasm. Aynigan yarim o‘tkazgichlardan tayyorlangan p-n o‘tish-
ning termodinamik muvozanat holatidagi (a) va to‘g‘ri
ulangan holdagi (b) energetik diagrammasi.


Bunday tuzilmani Fabri–Pero rezonatori deb ataladi. Agar kuchaytirish koeffitsenti yo‘qotishlarga nisbatan katta bo‘lsa, yarim o‘tkazgich kristalida lazer generatsiyasi sodir bo‘ladi.
Injeksion lazer aktiv muhitining kuchaytirish koeffitsienti K_kuch va teskari bog‘lanish koeffitsienti β_t.b. ning turli qiymatlariga mos keluvchi uch xil rejimi mavjud:
1.K_kuch<1 bo‘lgan hol yoki lyuminessensiya rejimi (spontan nurlanish va shovqin rejimi);
2. K_kuch>1, K_kuch·β_t.b.<1 bo‘lgan hol yoki o‘ta lyuminessensiya rejimi (spontan nurlanishning regenerativ kuchayishi rejimi);
3. K_kuch>1, K_kuch∙β_t.b.>1 bo‘lgan hol yoki kogerent nurlanish rejimi (tebranishlarning o‘z-o‘zidan uyg‘onish rejimi). Bu holda spontan nurlanishning ulushi juda kichik bo‘ladi.
Yarim o‘tkazgichli injeksion lazerlarda K_kuch ning qiymati p-n o‘tishga qo‘yilgan kuchlanishga bog‘liq. Shu sababdan unda har uchchala rejim ham kuzatilishi mumkin.
Vatt-amper va spektral xarakteristikalar lazerlarning asosiy xarakteristikalari hisoblanadi (3.11- va 3.12-rasmlar).

I

3.11-rasm. Yarim o‘tkazgichli injeksion lazerning vatt-amper
xarakteristikasi.


Foydali nuralnish quvvati P va lazerdan oqib o‘tadigan tok orasidagi bog‘lanish lazerning vatt-amper xarakteristikasi deb ataladi.
Bu xarakteristikada lazer diodining turli xil ish rejimlariga mos kelgan uchta bo‘lak yaxshi aks etgan. Kichik og‘ish burchagiga mos kelgan I-bo‘lak lyuminessensiya rejimiga, lazerdan o‘tadigan tokning bo‘sag‘a qiymati I_bo‘s dan boshlanadigan va taxminan o‘zgarmas og‘ish burchagiga ega bo‘lgan III-bo‘lak kogerent nurlanish rejimiga mos keladi. O‘zgaruvchan og‘ishga ega bo‘lgan II bo‘lak esa, o‘ta lyuminessensiya rejimini aks ettiradi.
Nurlanish quvvati spektral zichligi va nurlanish to‘lqin uzunligi (chastotasi) orasidagi bog‘lanish lazerning spektral xarakteristikasi deb ataladi.
3.12-rasmda galliy arsenidili injeksion lazerning spektral xarakteristikasi haqida tasavvur beradi. Bu rasmda 1-egri chiziq bo‘sag‘a toki I_bo‘s dan kichik toklardagi (2,5A), 2-egri chiziq esa, bo‘sag‘a toki I_bo‘s dan katta toklardagi (10A) nurlanish spektrini ifodalaydi. Bo‘sag‘a tokidan kichik injeksiya toklarida spektral xarakteristikaning kengligi 0,1 mkm dan ortiq, bo‘sag‘a tokidan katta toklarda esa spektral xarakteristikaning kengligi (1-1.5)*10^-3 mkm gacha kamayadi. Shunga qaramasdan, yarim o‘tkazgichli lazerlarning monoxromatikligi boshqa qattiq jismli lazerlarnikiga nisbatan ancha kam.



3.12-rasm. Galliy arsenidili injeksion lazerning spektral
xarakteristikasi.


Bu hol yarim o‘tkazgichlarda energetik sohalararo o‘tishlardagi sathlarning sezilarli darajada “yoyilganligi” bilan izohl anadi. p-n o‘tish tekisligida nurlanishning tarqalish darajasi ~1^o ni, o‘tish tekisligiga perpendikulyar yo‘nalishda esa ~15^o ni tashkil etadi. Bunday holat lazer aktiv sohasi o‘lchamlarining juda ham kichikligi va nurlanishning shu sababdan ro‘y beradigan difraksiyasi bilan bog‘liq.
Yuqorida bayon etilgan tuzilishga ega bo‘lgan va bir turdagi yarim o‘tkazgichli birikmalardan tayyorlangan p-n o‘tishli (gomoo‘tishli) birinchi yarim o‘tkazgichli injeksion lazerlar generatsiya va ekspluatatsiya nuqtai nazaridan unchalik katta bo‘lmagan parametrlarga ega edi. Ularda bo‘sag‘a tokining zichligi juda katta bo‘lib, 20 dan 100 gacha kA/sm² ni tashkil etardi. Ularning f.i.k. va xizmat muddati kichik edi. Bunday holat katta optik yo‘qotishlar va lazer generatsiyasi jarayoni kvant samaradorligining pastligi bilan bog‘liq edi. Zero, aktiv sohada yuzaga keladigan nurlanish qo‘shni aktiv bo‘lmagan sohalarga tarqalib va yutilib, katta optik yo‘qotishlarga sabab bo‘lardi. Bundan tashqari aktiv sohaga kirishi kerak bo‘lgan elektronlarning anchagina qismi katta tezlik hisobiga bu sohani kovaklar bilan rekombinatsiya qilishga ulgurmasdan o‘tishi generatsiya jarayoni samaradorligining pasayishiga olib kelardi.