Измерение диаграммы направленности полупроводниковых источников оптического излучения, страница 3

Гетеропереходы по сравнению с обычными p-n-переходами обладают двумя важными особенностями. Первая из них – это односторонняя инжекция. Скачок потенциала на границе представляет собой потенциальный барьер для дырок в базовой области, поэтому при приложении прямого смещения имеет место только инжекция электронов из эмиттера в базу. В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области, обеспечивает их локализацию и тем самым повышает быстродействие диода.

Второй отличительной особенностью гетероструктур является резкое различие оптических свойств различных областей (рис. 4).

На рис. 4 приведены упрощенные энергетические диаграммы [1, 11] и распределения показателя преломления по слоям для p-n-перехода (рис. 4а), односторонней гетероструктуры (рис. 4,б), и двойной гетероструктуры (рис. 4,в).

Важным при использовании двойной гетероструктуры является то, что свет и носители удерживаются в активном слое (в базе) и эффективно взаимодействуют, что позволяет получить лазер с низким пороговым значением тока.

Использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей в базе при уменьшении ее толщины вплоть до нескольких микрометров. Это повышает быстродействие светодиодов.

2.3. Особенности полупроводниковых лазеров

Наиболее эффективным светоизлучающим прибором для ВОСП является полупроводниковый лазер (лазерный диод – ЛД). ЛД представляет собой оптоэлектронный прибор, в котором осуществляется преобразование электрической энергии в оптическую – световую.

Основным полупроводниковым материалом для лазеров является арсенид галлия GaAs. Различие между СИД и лазером состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в лазерах стимулированное (вынужденное) и когерентное. Чтобы светодиод стал генерировать когерентное оптическое излучение, необходимо его поместить в открытый резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе кристалл-воздух получается достаточно высокий коэффициент отражения.

ЛД является пороговым прибором, генерация когерентного излучения возникает после увеличения тока инжекции выше уровня так называемого порогового тока I_пор.

Слабый свет, возникающий в лазере под действием спонтанных переходов, усиливается активной средой при многократном отражении от резонаторных зеркал, расположенных в торцах резонатора. В конечном счете образуется лавина вынужденно испущенных фотонов, которая и образует лазерный луч. Это режим генерации когерентного излучения. Лазерная генерация возникает тогда, когда оптическое усиление компенсирует потери энергии внутри резонатора, складывающиеся из потерь в активной среде и потерь на отражение. Это и соответствует пороговому току инжекции I_пор. Значение тока инжекции, превышающее I_пор сопровождается резким увеличением выхода мощности оптического излучения из лазера, что видно из рис. 5.

Одной из важных характеристик источников оптического излучения является диаграмма направленности. Например, на рис. 6 приведены диаграммы для двух различных СИД (кривые 1, 2): угол излучения  для диаграммы 1 примерно 45°, для диаграммы 2 примерно 15°. Для лазерных диодов характерна более узкая диаграмма направленности.