3-боб. Оптик алоқа тизимларида қЎлланиладиган ёруғлик манбалари

3.3.2. Лазер диодининг иш принципи
Бирламчи спонтан фотонлар қуйдаги энергияга эга бўлади:
ΔW_мэсFn-W_Fp). (3.12)
Бу ерда ∆W_м.э.с- ярим ўтказгич материали ман этилган энергетик соҳасининг кенглиги; W_Fn,W_Fp - n ва p соҳалардаги Ферми сатҳлари.
Спонтан фотонлар мажбурий нурланиш ҳосил қилади. Бироқ ўз-ўзидан уйғонадиган (қўзғоладиган) ҳолатга эришиш учун нурланишнинг тескари эгалланган муҳит бўйлаб кўп мароталаб ўтишини, бошқача қилиб айтганда, тескари мусбат боғланиш юзага келишини таъминлаш зарур.
Бунинг учун киристаллнинг кристалографик ўқи бўйича текисланган резонатор кўзгуси вазифасини ўтайдиган иккита ўзаро параллель текислик ҳосил қилинади. Асосий йўналиш билан мос тушмайдиган йўналишларда нурланишни йўқотиш учун кристаллнинг бошқа икки томони ғадир –будир қилиб тайёрланади.

W_cn



3.10-расм. Айниган ярим ўтказгичлардан тайёрланган p-n ўтиш-
нинг термодинамик мувозанат ҳолатидаги (а) ва тўғри
уланган ҳолдаги (б) энергетик диаграммаси.


Бундай тузилмани Фабри–Перо резонатори деб аталади. Агар кучайтириш коэффиценти йўқотишларга нисбатан катта бўлса, ярим ўтказгич кристалида лазер генерацияси содир бўлади.
Инжекцион лазер актив муҳитининг кучайтириш коэффициенти К_куч ва тескари боғланиш коэффициенти β_т.б. нинг турли қийматларига мос келувчи уч хил режими мавжуд:
1.К_куч<1 бўлган ҳол ёки люминесценция режими (спонтан нурланиш ва шовқин режими);
2. К_куч>1, K_куч·β_т.б.<1 бўлган ҳол ёки ўта люминесценция режими (спонтан нурланишнинг регенератив кучайиши режими);
3. K_куч>1, K_куч∙β_т.б.>1 бўлган ҳол ёки когерент нурланиш режими (тебранишларнинг ўз-ўзидан уйғониш режими). Бу ҳолда спонтан нурланишнинг улуши жуда кичик бўлади.
Ярим ўтказгичли инжекцион лазерларда К_куч нинг қиймати p-n ўтишга қўйилган кучланишга боғлиқ. Шу сабабдан унда ҳар уччала режим ҳам кузатилиши мумкин.
Ватт-ампер ва спектрал характеристикалар лазерларнинг асосий характеристикалари ҳисобланади (3.11- ва 3.12-расмлар).


I
3.11-расм. Ярим ўтказгичли инжекцион лазернинг ватт-ампер
характеристикаси.


Фойдали нуралниш қуввати Р ва лазердан оқиб ўтадиган ток орасидаги боғланиш лазернинг ватт-ампер характеристикаси деб аталади.
Бу характеристикада лазер диодининг турли хил иш режимларига мос келган учта бўлак яхши акс этган. Кичик оғиш бурчагига мос келган I-бўлак люминесценция режимига, лазердан ўтадиган токнинг бўсаға қиймати I_бўс дан бошланадиган ва тахминан ўзгармас оғиш бурчагига эга бўлган III-бўлак когерент нурланиш режимига мос келади. Ўзгарувчан оғишга эга бўлган II бўлак эса, ўта люминесценция режимини акс эттиради.
Нурланиш қуввати спектрал зичлиги ва нурланиш тўлқин узунлиги (частотаси) орасидаги боғланиш лазернинг спектрал характеристикаси деб аталади.
3.12-расмда галлий арсенидили инжекцион лазернинг спектрал характеристикаси ҳақида тасаввур беради. Бу расмда 1-эгри чизиқ бўсаға токи I_бўс дан кичик токлардаги (2,5А), 2-эгри чизиқ эса, бўсаға токи I_бўс дан катта токлардаги (10А) нурланиш спектрини ифодалайди. Бўсаға токидан кичик инжекция токларида спектрал характеристиканинг кенглиги 0,1 мкм дан ортиқ, бўсаға токидан катта токларда эса спектрал характеристиканинг кенглиги (1-1.5)*10^-3 мкм гача камаяди. Шунга қарамасдан, ярим ўтказгичли лазерларнинг монохроматиклиги бошқа қаттиқ жисмли лазерларникига нисбатан анча кам.



3.12-расм. Галлий арсенидили инжекцион лазернинг спектрал
характеристикаси.


Бу ҳол ярим ўтказгичларда энергетик соҳалараро ўтишлардаги сатҳларнинг сезиларли даражада “ёйилганлиги” билан изоҳланади. p-n ўтиш текислигида нурланишнинг тарқалиш даражаси ~1^о ни, ўтиш текислигига перпендикуляр йўналишда эса ~15^о ни ташкил этади. Бундай ҳолат лазер актив соҳаси ўлчамларининг жуда ҳам кичиклиги ва нурланишнинг шу сабабдан рўй берадиган дифракцияси билан боғлиқ.
Юқорида баён этилган тузилишга эга бўлган ва бир турдаги ярим ўтказгичли бирикмалардан тайёрланган p-n ўтишли (гомоўтишли) биринчи ярим ўтказгичли инжекцион лазерлар генерация ва эксплуатация нуқтаи назаридан унчалик катта бўлмаган параметрларга эга эди. Уларда бўсаға токининг зичлиги жуда катта бўлиб, 20 дан 100 гача кА/см² ни ташкил этарди. Уларнинг ф.и.к. ва хизмат муддати кичик эди. Бундай ҳолат катта оптик йўқотишлар ва лазер генерацияси жараёни квант самарадорлигининг пастлиги билан боғлиқ эди. Зеро, актив соҳада юзага келадиган нурланиш қўшни актив бўлмаган соҳаларга тарқалиб ва ютилиб, катта оптик йўқотишларга сабаб бўларди. Бундан ташқари актив соҳага кириши керак бўлган электронларнинг анчагина қисми катта тезлик ҳисобига бу соҳани коваклар билан рекомбинация қилишга улгурмасдан ўтиши генерация жараёни самарадорлигининг пасайишига олиб келарди.