Рассмотренные выше условия лазерной генерации излучения могут быть реализованы при протекании тока через полупроводник. Причем с момента создания первого лазера и по настоящее время структура полупроводниковых лазеров претерпела значительные изменения. Так, например, первые полупроводниковые лазеры были выполнены на гомогенном полупроводнике с простейшим переходом. Основным недостатком подобных структур является несовершенство ограничительных свойств простого перехода. Кроме того, границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области, не определены четко и меняются в зависимости от тока накачки. Поэтому лазеры на однородных полупроводниках не получили широкого распространения и в настоящее время практически не используются. Другой, несколько более сложной, является односторонняя гетероструктура. Основное ее достоинство - это наличие практически идеального выполнения условий ограничения, но только с одной стороны перехода при незначительном усложнении технологии. И, наконец, доминирующей в промышленных образцах полупроводниковых лазеров в настоящее время является ДГС. Основным ее достоинством является выполнение условий электрического, электронного и оптического ограничений по обе стороны от активной области, что позволяет при малых пороговых токах инжекции получать в сверхтонкой активной области, лежащей между двумя гетерограницами, значительные потоки излучения. Дальнейшее развитие ДГС привело к созданию четырех- и пятислойных структур, которые позволяют оптимизировать размеры оптического волновода с точки зрения оптимальности модового состава излучения, при этом толщина области электрической накачки обычно существенно меньше толщины волновода

Наиболее хорошо разработанными являются гетероструктуры на основе соединений В этой структуре более широкозонный материал получится из исходного материала путем замещения атомов на атомы в кристаллической решетке. Причем получаемый материал остается прямозонным вплоть до  ).

Лазеры на основе этой гетероструктуры обычно работают в диапазоне длин волн от 0,75 до 0,9 мкм. Для более длинноволнового диапазона 1,3 и 1,55 мкм в настоящее время промышленностью осваиваются лазеры на основе гетероструктуры, которые отвечают требованиям современных ВОЛС. Рассмотрим подробнее работу полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре Зонные диаграммы для этой ДГС в равновесном состоянии и при сильном положительном смещении приведены на рис. 3.21, а и 3.21, б соответственно. В равновесном состоянии при сильнолегированном слое уровень Ферми в узкозонном материале располагается внутри валентной зоны. Режим накачки лазера обеспечивается путем подключения гетероструктуры к источнику тока. Зонные диаграммы под действием тока, протекающего в положительном направлении, показаны на рис. 3.20, б. Высокий уровень инжекции через '-переход (слева) приводит к тому, что уровень Ферми оказывается внутри зоны проводимостей  области. В результате в области наблюдается инверсия населенности между энергетическими уровнями вблизи дна зоны проводимости и уровнями

5.3.3 Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров

Рассмотрим систему параметров и характеристик, описывающих полупроводниковые лазеры.

1. Ватт-амперная характеристика, определяющая зависимость мощности излучения лазера от величины тока накачки. Типичная ватт-амперная характеристика полупроводникового гетеролазера приводится на рис. 3.23 [59].

На этой характеристике можно выделить три участка. Первый участок -светодиодный, т.е. участок, на котором преобладает спонтанное излучение, смещение структуры еще не велико и инверсная населенность не достигнута. Лазер в этом режиме аналогичен светодиоду с торцевым выходом излучения. На втором участке доля индуцированных переходов уже сравнима с величиной спонтанного излучения. Такой режим работы называется суперлюминесценцией. И, наконец, третий участок, соответствующий режиму лазерной генерации. Мощность излучения на этом участке существенно выше, чем на первых двух, и зависимость мощности излучения от силы тока практически линейна. Однако на практике не все обстоит так гладко. Часто в лазерах наблюдается пульсация оптической мощности, что выражается в наличии характерных перегибов на ватт-амперной характеристике (рис. 3.24) [10]. Такие перегибы характерны для лазеров с волноводным усилением. Причину появления перегибов связывают с перераспределением боковых и поперечных мод (так называемый эффект перескока мод), при этом выходная мощность излучения лазера возрастает с увеличением тока накачки существенно медленнее или даже падает до тех пор, пока не установится новый модовый состав излучения. Все вышесказанное является серьезной помехой для применения лазеров, когда требуется высокая линейность, и делает невозможной работу в аналоговом режиме. В таких лазерах проблему перескока мод удается решить путем уменьшения ширины активной области менее 10 мкм. Главная причина нестабильности при этом сохраняется, но порог возникновения при этом удается сдвинуть за пределы нормального режима.

2. Спектральная характеристика определяет мощность излучения в зависимости от длины волны. Рассмотрим зависимость спектральной характеристики от тока накачки (рис. 3.25). Спектральная характеристика (см. рис. 3.25, а) соответствует светодиодному режиму. Ширина спектра в этом случае максимальна, а сама кривая имеет гладкий непрерывный характер. Спектр на рис. 3.25, б характерен при приближении величины тока накачки к /пор и соответствует режиму суперлюминесценции. Ширина спектра в этом случае существенно меньше. И, наконец, спектральная кривая на рис. 3.25, в характерна для режима лазерной генерации. В этом случае на спектральной кривой четко прослеживаются спектры отдельных продольных мод, возникающие из-за неидеальности оптического резонатора. Ширина спектра при этом обычно не превышает нескольких нанометров, а ширина спектральной линии отдельной моды менее 0,01 нм. Наличие в спектре излучения боковых поперечных мод увеличивает ширину линии каждой отдельной продольной моды.

По виду спектральной характеристики современные инжекционные лазеры подразделяются на одномодовые, когда основная мощность излучается на одной отдельной моде, а все остальные имеют существенно меньшую амплитуду, и многомодовые, в которых имеется, по крайней мере, несколько модлением ограничивается только ток инжекции внутри активного слоя, при этом повышенная концентрация носителей в области ограничения приводит к скачку комплексного показателя преломления с отрицательной действительной частью, поэтому коэффициент отражения от границ в этом случае меньше единицы, и волна частично распространяется в неактивной области, что и обусловливает искажения волнового фронта.

Активная область, играющая роль резонатора в полосковом лазере, имеет вид прямоугольного параллелепипеда (рис. 3.27). В резонаторе такой формы, вообще говоря, может существовать несколько типов колебаний (мод), каждое из которых характеризуется своей частотой, причем поскольку на этих частотах возможна лазерная генерация, то в выходном спектре лазера возможно появление соответствующих спектральных линий. Каждую моду можно охарактеризовать тремя целыми числами (г, /, к), которые соответствуют числу максимумов распределения электромагнитного поля по трем взаимно перпендикулярным направлениям внутри резонатора. В первом приближении условия резонанса соответствуют целому числу полуволн, укладывающихся на длине резонатора, причем расстояние между двумя модами