Puissance d'émission

Dans la zone active d'une diode Laser, la mobilité des électrons (n) étant beaucoup plus élevée que celle des trous (p), la densité de courant totale est quasi égale à celle des électrons ainsi :

D'autre part, la variation de la densité d'électrons par rapport au temps est égale à la différence entre l'apport d'électrons

et le taux de recombinaison d'électrons avec q la charge de l'électron,  le taux de recombinaison d'électrons par émission stimulée de photons (resp. non radiative et spontanée de photons).

En faisant l'hypothèse que la zone active est homogène et que tous les électrons s'y recombinent, l'apport en électrons devient simplement:

Où d est la largeur de la zone active

L'évolution de la densité d'électrons en excès dans la zone active d'une diode Laser monomode est alors donnée par « l'équation de continuité » :

Où  est la densité d'électrons excédentaires de la diode sans rétro-injection,  la densité de photons de la diode sans rétro-injection générés par émission stimulée, la durée de vie d'un électron et  le coefficient d'émission stimulée dépendant de  et tenant compte du facteur de confinement optique.

L'évolution du flux lumineux I(z) à l'intérieur de la diode Laser, proportionnel à la densité de photons, est donnée par : en remarquant que

avec le temps d'aller retour à l'intérieur de la cavité Laser, on obtient pour l'écriture du coefficient d'émission stimulée :

Où  est la vitesse de groupe dans le milieu actif de la diode Laser.

En régime d'émission spontanée, la densité de photons pouvant être considérée comme négligeable, l'augmentation du courant d'injection permet l'accroissement de la densité d'électrons et donc du gain . Lorsque pour une densité de courant seuil sans rétro-injection , ce gain atteint la valeur seuil , la condition d'émission Laser est satisfaite. L'émission stimulée devient alors prépondérante devant l'émission spontanée et la densité de photon n'est plus négligeable. Pour une densité de courant  supérieure à la valeur seuil, la condition d'émission Laser doit toujours être vérifiée impliquant que le gain et par conséquent, la densité d'électrons ne diffèrent plus de leurs valeurs seuils vérifiant la relation  . Ainsi l'équation de continuité, nous permet d'exprimer la densité de photons en fonction des densités de courant  :

La puissance d'émission sans rétro-injection  étant proportionnelle à la densité de photons dans la cavité, elle est alors exprimée en fonction du courant d'injection  et du courant d'injection seuil sans rétro-injection iths par la relation :

Où est un coefficient de proportionnalité entre la densité de photons et la puissance d'émission lumineuse, le volume actif et le rendement quantique externe appelé pente d'efficacité : « slope efficiency » par les constructeurs de diodes Laser.

Cette relation met en évidence une variation linéaire de la puissance d'émission dans le cas d'une modulation lente du courant d'injection au dessus du courant de seuil.