Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

284 Глава 12. Процессы с участием когерентного излучения

Практически получают усиление 150 или менее при входном сиг­ нале около 100 мкВт па 1 мкм ширины перехода; насыщение же усиления наблюдается при входном сигнале около 400 мкВт на 1 мкм игарпны перехода [11].

Может возникнуть вопрос: целесообразна ли замена простого лазерного диода парой генератор — усилитель? Напомним, что при большом уровне мощности нижекционпый лазер излучает одновременно большое число мод. Главным преимуществом свя­ занной пары является то, что она позволяет получать высокую

Ф и г. 12.7. Пара генератор — усилитель с малым уровнем шумов [11]. Двоі'шые .т ш і ш і — зеркала резонатора ФаОрн — Перо.

мощность в одномодовом режиме генерации, который в инжекционных лазерах оказывается достижимым только при низких уровнях возбуждения.

Спонтанное излучение усилителя является «шумом». Малошумящий усилитель может быть получен путем создания струк­ туры, которая в стационарном состоянии практически не излу­

внаправлении, перпендикулярном направлению усиления. По сравнению с усилительной структурой, изображенной на фиг. 12.5,

впредставленном устройстве в стационарном режиме отсутствует излучение в направлении усиления, поскольку большая часть рекомбинационного излучения сосредоточена в поперечных лазер­ ных модах. Когда иа вход поступает когерентное излучение от генератора, прибор начинает работать как пара лазер — гаси­

тель: входное когерентное излучение усиливается за счет попе­ речных мод.

Нежелательным эффектом при этом способе получения усиле­ ния с малым уровнем шумов является то, что для получения когерентного выхода необходим более высокий уровенб входного сигнала, чем в устройстве, изображенном на фиг. 12.5.

Мощность входного сигнала, В т

Ф и г . 12.8. Переходные мощностныѳ характеристики для лазерного усили­ теля из GaAs, изображенного на фиг. 12.7 [И].

На фиг. 12.8 показаны характеристики усилителя, изображен­ ного на фиг. 12.7. По сравнению с данными фиг. 12.6 в этом случае отсутствует насыщение усиления в широком интервале изменения величины входной мощности.

3. Генерация гармоник

Говорят, что вещество обладает линейными или нелинейными оптическими свойствами в зависимости от того, пропорциональна или непропорциоиальна его поляризуемость воздействующему электрическому полю. При высоких электрических полях элек­ трическая восприимчивость вещества и, следовательно, его пока­ затель преломления уже не являются константами. Поэтому если интенсивная синусоидальная электромагнитная волна, излу­ чаемая лазером, взаимодействует с полупроводником, то форма

286 Глава 12. Процессы с участием когерентного излучения.

волны оказывается искаженной при прохождении электрического вектора через свою максимальную величину. Искаженная волна содержит гармоники основной частоты.

Чтобы глубже понять этот процесс, вспомним, что элек­ трическое ноле поляризует полупроводник путем ориенти­ рования образованных электронами и ядром диполей в каждом узле атомной решетки. Очевидно, что, когда электрическое поле достигает величины локального поля, связывающего электрон в атоме (около ІО7 В/см), поляризация насыщается; в конце кон­ цов вещество превращается в плазму. Отметим, что, если мате­ риал уже частично поляризован (это имеет место в соединениях ди]3Vi или в меньшей степени в полупроводниках АІПВѴ), поляри­ зация насыщается'прн меньшем поле в случае, когда электрический вектор совпадает с естественной поляризацией, чем в случае, когда электрический вектор направлен противоположно. Сле­ довательно, интенсивное когерентное излучение будет насыщать поляризацию этих материалов в каждый полупернод. Такого типа детектирование приводит к генерации второй гармоники. В неполярных полупроводниках поляризация насыщается сим­ метрично, сглаживая синусоидальную волну при обеих полярно­ стях, а это приводит к генерации третьей гармоники. Вполне возможно, что в слабо полярных материалах будут генерироваться и вторая, и третья гармоники.

При облучении поверхности GaAs пучком лазерного излучения с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны, была получена вторая гармоника, что свидетельствует о нелинейных оптических свойствах вещества [12]. Нелинейные оптические свойства были обнаружены также в ряде других полупроводни­ ков, причем оказалось возможным измерить на удвоенной частоте дисперсию нелинейной восприимчивости в широкой области энер­ гий фотонрв [131.

Генерация вторых гармоник была получена в инжекционных лазерах из GaAs [14, 15] и ІпР [16] за счет сильного электриче­ ского поля когерентного излучения внутри лазерных диодов. Ввиду высокого коэффициента поглощения в полупроводниках при энергии фотонов, равной приблизительно удвоенной ширине запрещенной зоны, наблюдаемая вторая гармоника должна воз­

никать в р — 7г-переходе в слое толщиной около 100 А, примы­ кающем непосредственно к зеркалу резонатора Фабри — Перо. Как видно из фиг. 12.9, мощность излучения второй гармоники изменяется как квадрат мощности основной — эта гармоника может рассматриваться как произведение двух основных колеба­ ний.

В нелинейных веществах электрические поля двух когерентных фотонов взаимодействуют в силу нелинейности тензора диэлек­ трической проницаемости, который обеспечивает векторное ело-

жение векторов смещения. Следовательно, взаимодействие двух синусоидальных полей различной частоты приводит к генерации суммарной и разностной частот. Этот процесс носит название

стоту соответствующей основной линии фиг. 12.10,я, а также суммы частот пар линий, расположенных симметрично относи­ тельно этой основной линии. Например, линия 9 заключает в себе комбинации Д-, Gl, FJ и ЕК. Линии с четными номерами состав­ ляются путем промежуточных комбинаций пар основных линий. Так, линия 10 составляется путем комбинаций HI, GJ и FK.

В инжекциоиных лазерах биения между примыкающими мо­ дами приводят к генерации разностных частот, которые для GaAs находятся в области 1011 Гц. Когда имеется больше двух мод, энергетическое расстояние между этими модами непостоянно, поскольку показатель преломления изменяется с энергией фото­ нов /гѵ; более высокочастотные моды расположены ближе друг к другу. Тогда частота биений между двумя последующими пара­

ми основных мод приводит к генерации двух разных частот в об­ ласти 100 ГГц. Эти, две разные частоты могут в свою очередь взаимодействовать, создавая биения частоты второго порядка

6

в

Ф п г. 12.10. Спектральные распределения основных частот и гармоник [17].

а — основная частота, б — наблюдаемые гармоники, в — вычисленные гармоники.

в области единиц ГГц. Такое гетеродинное взаимодействие второго порядка проявлялось в виде модуляции излучения инжекционных лазеров из GaAs на частотах порядка мегагерц [18, 19].

4. Двухфотонное поглощение

Два когерентных по фазе фотона могут объединяться для возбуждения электрона до энергии, равной удвоенной энергии одного фотона. Тогда когерентное излучение с hv <! Е g, для кото­ рого полупроводник мог бы быть прозрачным, будет поглощаться благодаря этому кооперативному явлению. Таким образом, гене­