eng
Выпуск #5/2019
А. Л. Тер-Мартиросян, М. А. Свердлов, C. Н. Родин, Н. А. Пихтин
Мощные (до 100 Вт) непрерывные лазерные линейки для накачки твердотельных лазеров
Мощные (до 100 Вт) непрерывные лазерные линейки для накачки твердотельных лазеров
Просмотры: 1997
Разработаны мощные высокоэффективные непрерывные лазерные линейки, излучающие в спектральном диапазоне 808 нм и предназначенные для накачки твердотельных лазеров. Лазерные линейки имеют высокую эффективность преобразования электрического тока в свет (более 50%) и малые геометрические размеры. Чипы изготавливаются на основе гетероструктур, полученных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOCVD). В статье приведены параметры разработанных ЛЛ и результаты их ресурсных испытаний.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.5.486.495
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.5.486.495
Теги: laser arrays pumping solid-state lasers semiconductor laser лазер полупроводниковый линейка полупроводниковых лазеров накачка твердотельных лазеров
А. Л. Тер-Мартиросян1, ter@atcsd.ru, М. А. Свердлов1, C. Н. Родин1, Н. А. Пихтин2
АО «Полупроводниковые приборы», www.atcsd.ru, Санкт-Петербург, Россия
ФТИ им. А. Ф. Иоффе, www.ioffe.ru, Санкт-Петербург, Россия
Разработаны мощные высокоэффективные непрерывные лазерные линейки, излучающие в спектральном диапазоне 808 нм и предназначенные для накачки твердотельных лазеров. Лазерные линейки имеют высокую эффективность преобразования электрического тока в свет (более 50%) и малые геометрические размеры. Чипы изготавливаются на основе гетероструктур, полученных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOCVD). В статье приведены параметры разработанных ЛЛ и результаты их ресурсных испытаний.
Ключевые слова: лазер полупроводниковый, линейка полупроводниковых лазеров, накачка твердотельных лазеров
Статья получена: 03.06.2019. Принята к публикации: 12.07.2019.
Powerful (up to 100 W) Continuous Laser Arrays for Pumping Solid-state Lasers
A. L. Ter-Martirosyan1, ter@atcsd.ru, M. A. Sverdlov1, C. N. Rodin1, sales@atcsd.ru, N. A. Pikhtin2
JSC “Semiconductor devices”, St. Petersburg, Russia
Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia
Powerful high-performance continuous wave (CW) laser arrays, emitting in the spectral range of 808 nm and designed for pumping solid-state lasers, have been developed. The laser arrays have high efficiency of converting electric current to light (more than 50%) and small geometrical dimensions. The chips are manufactured based on heterostructures grown by metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) epitaxy. The parameters of the developed LA and the results of their life tests are given in the article.
Keywords: semiconductor laser, laser arrays, pumping solid-state lasers
Received: 03.06.2019 Accepted: 12.07.2019.
Введение
Разработаны мощные высокоэффективные непрерывные лазерные линейки (ЛЛ), излучающие в спектральном диапазоне 808 нм и предназначенные для накачки твердотельных лазеров.
Разработка ЛЛ для систем непрерывной оптической накачки твердотельных лазеров направлена на увеличение эффективности, снижение энергопотребления, уменьшение габаритов и увеличение срока службы конечных изделий.
Твердотельные лазеры с диодной накачкой, используемые во всем мире для обработки материалов, разделения изотопов, лечения заболеваний, аналитического приборостроения, мониторинга атмосферы, управляемого термоядерного синтеза и военных применений, стремительно вытесняют устаревшие твердотельные лазеры с ламповой накачкой и газовые лазеры. Твердотельные лазеры с диодной накачкой отличаются существенно более высокими КПД, надежностью, лучшими массогабаритными показателями, отсутствием высокого напряжения питания. Во всем мире большинство высокотехнологичных производственных линий используют твердотельные лазеры с диодной накачкой для обработки материалов (резка, сверление отверстий, закалка, подгонка резисторов, гравировка и маркировка). Промышленные лазерные установки для обработки материалов становятся неотъемлемой частью любого высокотехнологичного производства.
Технологические лазеры позволяют существенно увеличить производительность труда, качественно снизить энергопотребление, являются экологически чистым оборудованием. Кроме того, лазерный луч позволяет получить качественно новые результаты (прецизионная обработка, закалка материалов) по сравнению с традиционным оборудованием. Твердотельные лазеры с ламповой накачкой, которыми оснащались производственные линии в течение последних 10–15 лет, наряду с упомянутыми выше преимуществами, имеют существенные недостатки: высокое энергопотребление (низкий КПД), большие габариты и вес, малый срок службы.
В статье приведены параметры разработанных ЛЛ и результаты их ресурсных испытаний.
Характеристики ЛЛ
В сообщении приводятся результаты разработки энергоэффективных инжекционных ЛЛ нового поколения для систем непрерывной оптической накачки твердотельных лазеров с длиной волны генерации 808 нм, максимальным КПД 55% и выходной оптической мощностью до 100 Вт.
ЛЛ обеспечивают при температуре 25 °С следующие основные параметры, представленные в табл. 1.
ЛЛ представляют собой источник лазерного излучения с узкой спектральной линией (3–4 нм). Основные отличия ЛЛ – высокая эффективность преобразования электрического тока в свет (более 50%) и малые геометрические размеры. Чипы изготавливаются на основе гетероструктур, полученных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений. Этот метод роста гетероструктур позволяет с высокой точностью контролировать химический состав и толщины выращиваемых полупроводниковых слоев, обеспечивая высокую воспроизводимость параметров, что дает возможность существенно снизить рабочий ток, повысить КПД и достичь высоких значений оптической мощности излучения. На основе прогрессивных постростовых технологий специалистами АО «Полупроводниковые приборы» разработан высокопродуктивный технологический цикл производства ЛЛ.
При выборе гетероструктуры для создания ЛЛ был проведен анализ гетероструктур, используемых для создания одиночных лазерных диодов, излучающих на длине волны 808 нм. На сегодняшний день существует два подхода для создания эпитаксиальных наноструктурированных гетероструктур (ЭНГС) раздельного ограничения:
двойные ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-не-содержащих слоев волновода и активной области [1–6];
двойные ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-содержащих слоев волновода и активной области [1, 7–10].
Максимально достигнутая выходная оптическая мощность в одиночных лазерных диодах на основе двойных ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-не-содержащей системы твердых растворов, составляет 9,9 Вт (ширина излучающей апертуры 100 мкм, длина резонатора 3 000 мкм) [6]. Максимально достигнутая выходная оптическая мощность в одиночных лазерных диодах на основе двойных ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-содержащей системы твердых растворов, составляет 13 Вт (ширина излучающей апертуры 100 мкм, длина резонатора 4 000 мкм) [9]. Следует отметить, что такая выходная оптическая мощность была получена на лазерном диоде при использовании двойной ЭНГС раздельного ограничения со сверхшироким симметричным волноводом (суммарная толщина волноводного слоя 3 мкм). В лазерном диоде на основе двойной ЭНГС раздельного ограничения с волноводом толщиной 1 мкм максимально достигнутая мощность составляет 8,9 Вт [10].
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что одиночные лазерные диоды, изготовленные на основе алюминий-не-содержащих и алюминий-содержащих твердых растворов в волноводных слоях и активной области, имеют примерно одинаковые мощностные характеристики. С точки зрения технологичности, наиболее удобной системой твердых растворов является AlGaAs. Достоинством системы твердых растворов AlGaAs является максимальная воспроизводимость результатов, а также минимальное рассогласование по периоду решетки с подложкой GaAs во всем диапазоне составов (максимальное значение рассогласования получается для AlAs и составляет 1,18 ∙ 10–3), что важно для обеспечения высоких оптических характеристик лазерного диода. К недостаткам системы AlGaAs следует отнести высокую способность алюминия к окислению. Поэтому не рекомендуется использовать при создании двойных ЭНГС раздельного ограничения слои AlxGa1–xAs c составом по алюминию (х) больше 0,6, т. к. чем больше содержание алюминия в слое, тем процесс окисления интенсивнее. Сильное окисление алюминиевых слоев может привести к ухудшению выходных характеристик лазерных диодов, а именно: уменьшению надежности, увеличению сопротивления и оптических потерь.
На основании вышесказанного была разработана для создания ЛЛ двойная ЭНГС раздельного ограничения на основе системы твердых растворов AlGaAs.
При разработке конструкции двойной ЭНГС раздельного ограничения для ЛЛ основными целями были: обеспечение работы ЛЛ на нулевой поперечной моде электромагнитной волны; обеспечение минимальных внутренних оптических потерь в волноводе ЛЛ; подавление выброса носителей заряда из активной области в волноводные слои; обеспечение минимального электрического сопротивления ЭНГС; обеспечение технологичности конструкции ЭНГС.
Для ЭНГС были выбраны следующие составы слоев: эмиттерный слой Al0,55Ga0,45As; волноводный слой Al0,37Ga0,63As; активная область – КЯ Al0,1Ga0,9As толщиной 12 нм.
Для обеспечения работы ЛЛ на нулевой поперченной моде электромагнитной волны и минимальных внутренних оптических потерь был проведен расчет профилей распределения электромагнитной волны в волноводе по модели, предложенной в [11]. Для обеспечения этих требований нами использовался расширенный волновод (1,5 мкм). Особенностью работы с широким волноводом является необходимость расчета по меньшей мере еще двух мод высшего порядка. Подавления этих мод можно добиться за счет максимизации оптических потерь и минимизации модального усиления для них. Для подавления мод высшего порядка используют асимметричный волновод со сдвигом активной области к Р‑эмиттеру.
На рис. 1 приведены результаты расчета распределения мод различных порядков электромагнитной волны. В табл. 2 представлены параметры рассчитанной ЭНГС.
Для отработки технологии изготовления ЛЛ была выбрана оптимальная технологическая схема сборки, позволяющая на финишной стадии в качестве готовой продукции получать ЛЛ с выходной оптической мощностью до 100 Вт, работающие в непрерывном режиме.
Построение технологической схемы по проведению сборочных операций при изготовлении ЛЛ основано на определенной базовой концепции:
высокая воспроизводимость характеристик технологических процессов;
возможность проведения нескольких технологических процессов в одной реакционной камере без ее вскрытия;
возможность легкой перестройки режимов при изменении параметров технологических процессов;
постоянный технологический контроль за проведением качества производимых технологических операций;
простота переоснастки и обслуживания используемого оборудования;
возможность осуществления корректировки и совершенствования технологической схемы;
минимальное воздействие окружающей среды при проведении технологического процесса.
Монтаж чипов ЛЛ на теплоотвод осуществлялся методом бесфлюсовой пайки через буферную пластину (сабмаунт) из CuW (80 / 20). Монтаж изолирующей пластины на теплоотвод проводился для обеспечения электрической развязки между токопроводящими контактами ЛЛ. В качестве материала пластины использовалась металлизированная с одной стороны керамическая пластина Al2O3 (поликор), обладающая высокими изоляционными свойствами и имеющая достаточно хорошую теплопроводность.
Для измерения выходной оптической мощности ЛЛ использовался калиброванный болометрический измеритель фирмы Ophir.
Спектральные измерения проводились с использованием оптоволоконного спектрометра ASP‑150TF.
На рис. 2 представлен внешний вид ЛЛ на водоохлаждаемом теплоотводе. На рис. 3 представлен габаритный чертеж ЛЛ на водоохлаждаемом теплоотводе. На рис. 4 представлена типичная зависимость выходной оптической мощности от тока накачки и КПД ЛЛ. Как показывает анализ зависимости, максимальный КПД ЛЛ достигает 55% при температуре ТО ЛЛ +25 °C.
На рис. 5 представлен типичный спектр ЛЛ. Узкая спектральная полоса излучения ~3–4 нм говорит о высокой однородности и качестве монтажа чипов ЛЛ. Распределение оптической мощности по полосковым излучателям (рис. 6) показывает высокую однородность по всей ширине излучающей площадки, что подтверждает качество гетероструктуры и высокую технологичность всех постростовых процессов изготовления ЛЛ.
Разработанные ЛЛ подвергались ресурсным испытаниям в режиме поддержания постоянной величины тока накачки, равного 115–117A (с номинальной выходной мощностью 100 Вт). При температуре ТО ЛЛ +25 °C в течение 1 000 часов падение выходной оптической мощности составило не более 1,5%. Таким образом, по линейной экстраполяции временной зависимости можно оценить ожидаемый ресурс работы ЛЛ при T = +25 как 10 000 часов.
На рис. 7 представлена зависимость изменения выходной мощности ЛЛ от времени наработки.
Заключение
Таким образом, в настоящей работе были разработаны и исследованы мощные высокоэффективные непрерывные ЛЛ, предназначенные для накачки твердотельных лазеров на основе ионов Nd+.
Благодарности
Работы выполнялись в соответствии с Программой Союзного государства России и Беларуси «Разработка критических стандартных технологий проектирования и изготовления изделий наноструктурной микро- и оптоэлектроники, приборов и систем на их основе и оборудования для их производства и испытаний» – СЧ ОКР «Разработка параметрических рядов мощных фотодиодов СВЧ‑диапазона, а также конструктивно и технологически подобных энергоэффективных инжекционных лазеров нового поколения в части изготовления эпитаксиальных наноструктурированных гетероструктур, разделения на чипы энергоэффективных инжекционных лазеров, нанесения защитных покрытий на зеркала чипов энергоэффективных инжекционных лазеров и сборки энергоэффективных инжекционных лазеров, системы оптической диодной накачки для высокоэнергетичного, полностью твердотельного лазера и полностью твердотельного лазера для промышленности, энергетики и специальных применений» шифр СЧ ОКР «Луч‑3.2.1».
Список литературы
Безотосный В. В., Васильева В. В., Винокуров Д. А., Капитонов В. А., Крохин О. Н., Лешко А. Ю., Лютецкий А. В., Мурашова А. В., Налет Т. А., Николаев Д. Н., Пихтин Н. А., Попов Ю. М., Слипченко С. О., Станкевич А. Л., Фетисова Н. В., Шамахов В. В., Тарасов И. С. Мощные лазерные диоды с длиной волны излучения 808 нм на основе различных типов асимметричных гетероструктур со сверхшироким волноводом. Физика и техника полупроводников. 2008; 42 (3):357–360.
Алуев А. В., Лешко А. Ю., Лютецкий А. В., Пихтин Н. А., Слипченко С. О., Фетисова Н. В., Чельный А. А., Шамахов В. В., Симаков В. А., Тарасов И. С. GaInAsP / GaInP / AlGaInP‑лазеры, излучающие на длине волны 808 нм, выращенные методом МОС‑гидридной эпитаксии. Физика и техника полупроводников. 2009; 43(4): 556–560.
Eliashevich I., Diaz J., Yi H., Wang L., Razeghi M. Reliability of aluminium-free 808 nm high-power laser diodes with uncoated mirrors. Applied Physics Letters. 1995; 66(23): 3087–3089.
Wang L. J., Wu S. L., Diaz J., Eliashevich I., Yi H. J., Razeghi M. Operating characteristics of Al-free InGaAsP / GaAs single quantum well high-power laser. Proceedings SPIE. 1996; 2886:114–117.
Peixu Li, Ling Wang, Shuqiang Li, Wei Xia, Xin Zhang, Qingmin Tang, Zhongxiang Ren, Xiangang Xu. MOCVD growth of AlGaInP / GaInP quantum well laser diode with asymmetric cladding structure for high power applications. Chinese Optics Letters. 2009; 7 (6): 489–491.
Diaz J., Yi H., Razeghi M., Burnham G. T. Long-term reliability of Al-free InGaAsP / GaAs (λ = 808 nm) lasers at high-power high-temperature operation. Applied Physics Letters. 1997; 71(21): 3042–3044.
Андреев А. Ю., Зорина С. А., Лешко А. Ю., Лютецкий А. В., Мармалюк А. А., Мурашова А. В., Налет Т. А., Падалица А. А., Пихтин Н. А., Сабитов Д. Р., Симаков В. А., Слипченко С. О., Телегин К. Ю., Шамахов В. В., Тарасов И. С. Мощные лазеры (λ = 808 нм) на основе гетероструктур раздельного ограничения AlGaAs / GaAs. Физика и техника полупроводников. 2009; 43(4): 453–457.
Jensena O.B., Klehrb A., Dittmarb F., Sumpfb B., Erbertb G., Andersena P. E., Petersen P. M. 808 nm tapered diode lasers optimised for high output power and nearly diffraction-limited beam quality in pulse mode operation. Proceedings SPIE. 2007; 6456: 64560A‑1–64560A‑10.
Knauer A., Erbert G., Staske R., Sumpf B., Wenzel H., Weyers M. High-power 808 nm lasers with a super-large optical cavity. Semiconductor Science and Technology. 2005; 20: 621–624.
Sebastian J., Beister G., Bugge F., Buhrandt F., Erbert G., Hansel H. G., Hulsewede R., Knauer A., Pittroff W., Staske R., Schroder M., Wenzel H., Weyers M., Trankle G. High-Power 810-nm GaAsP-AlGaAs Diode Lasers With Narrow Beam Divergence. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2001; 7(2):334–339.
Coldren L. A., Corzine S. W., Mashanovitch M. L. Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. Wiley. 2012.
ENGLISH VERSION PDF
(PDF, 3567.4 Кб)
АО «Полупроводниковые приборы», www.atcsd.ru, Санкт-Петербург, Россия
ФТИ им. А. Ф. Иоффе, www.ioffe.ru, Санкт-Петербург, Россия
Разработаны мощные высокоэффективные непрерывные лазерные линейки, излучающие в спектральном диапазоне 808 нм и предназначенные для накачки твердотельных лазеров. Лазерные линейки имеют высокую эффективность преобразования электрического тока в свет (более 50%) и малые геометрические размеры. Чипы изготавливаются на основе гетероструктур, полученных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOCVD). В статье приведены параметры разработанных ЛЛ и результаты их ресурсных испытаний.
Ключевые слова: лазер полупроводниковый, линейка полупроводниковых лазеров, накачка твердотельных лазеров
Статья получена: 03.06.2019. Принята к публикации: 12.07.2019.
Powerful (up to 100 W) Continuous Laser Arrays for Pumping Solid-state Lasers
A. L. Ter-Martirosyan1, ter@atcsd.ru, M. A. Sverdlov1, C. N. Rodin1, sales@atcsd.ru, N. A. Pikhtin2
JSC “Semiconductor devices”, St. Petersburg, Russia
Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia
Powerful high-performance continuous wave (CW) laser arrays, emitting in the spectral range of 808 nm and designed for pumping solid-state lasers, have been developed. The laser arrays have high efficiency of converting electric current to light (more than 50%) and small geometrical dimensions. The chips are manufactured based on heterostructures grown by metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) epitaxy. The parameters of the developed LA and the results of their life tests are given in the article.
Keywords: semiconductor laser, laser arrays, pumping solid-state lasers
Received: 03.06.2019 Accepted: 12.07.2019.
Введение
Разработаны мощные высокоэффективные непрерывные лазерные линейки (ЛЛ), излучающие в спектральном диапазоне 808 нм и предназначенные для накачки твердотельных лазеров.
Разработка ЛЛ для систем непрерывной оптической накачки твердотельных лазеров направлена на увеличение эффективности, снижение энергопотребления, уменьшение габаритов и увеличение срока службы конечных изделий.
Твердотельные лазеры с диодной накачкой, используемые во всем мире для обработки материалов, разделения изотопов, лечения заболеваний, аналитического приборостроения, мониторинга атмосферы, управляемого термоядерного синтеза и военных применений, стремительно вытесняют устаревшие твердотельные лазеры с ламповой накачкой и газовые лазеры. Твердотельные лазеры с диодной накачкой отличаются существенно более высокими КПД, надежностью, лучшими массогабаритными показателями, отсутствием высокого напряжения питания. Во всем мире большинство высокотехнологичных производственных линий используют твердотельные лазеры с диодной накачкой для обработки материалов (резка, сверление отверстий, закалка, подгонка резисторов, гравировка и маркировка). Промышленные лазерные установки для обработки материалов становятся неотъемлемой частью любого высокотехнологичного производства.
Технологические лазеры позволяют существенно увеличить производительность труда, качественно снизить энергопотребление, являются экологически чистым оборудованием. Кроме того, лазерный луч позволяет получить качественно новые результаты (прецизионная обработка, закалка материалов) по сравнению с традиционным оборудованием. Твердотельные лазеры с ламповой накачкой, которыми оснащались производственные линии в течение последних 10–15 лет, наряду с упомянутыми выше преимуществами, имеют существенные недостатки: высокое энергопотребление (низкий КПД), большие габариты и вес, малый срок службы.
В статье приведены параметры разработанных ЛЛ и результаты их ресурсных испытаний.
Характеристики ЛЛ
В сообщении приводятся результаты разработки энергоэффективных инжекционных ЛЛ нового поколения для систем непрерывной оптической накачки твердотельных лазеров с длиной волны генерации 808 нм, максимальным КПД 55% и выходной оптической мощностью до 100 Вт.
ЛЛ обеспечивают при температуре 25 °С следующие основные параметры, представленные в табл. 1.
ЛЛ представляют собой источник лазерного излучения с узкой спектральной линией (3–4 нм). Основные отличия ЛЛ – высокая эффективность преобразования электрического тока в свет (более 50%) и малые геометрические размеры. Чипы изготавливаются на основе гетероструктур, полученных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений. Этот метод роста гетероструктур позволяет с высокой точностью контролировать химический состав и толщины выращиваемых полупроводниковых слоев, обеспечивая высокую воспроизводимость параметров, что дает возможность существенно снизить рабочий ток, повысить КПД и достичь высоких значений оптической мощности излучения. На основе прогрессивных постростовых технологий специалистами АО «Полупроводниковые приборы» разработан высокопродуктивный технологический цикл производства ЛЛ.
При выборе гетероструктуры для создания ЛЛ был проведен анализ гетероструктур, используемых для создания одиночных лазерных диодов, излучающих на длине волны 808 нм. На сегодняшний день существует два подхода для создания эпитаксиальных наноструктурированных гетероструктур (ЭНГС) раздельного ограничения:
двойные ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-не-содержащих слоев волновода и активной области [1–6];
двойные ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-содержащих слоев волновода и активной области [1, 7–10].
Максимально достигнутая выходная оптическая мощность в одиночных лазерных диодах на основе двойных ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-не-содержащей системы твердых растворов, составляет 9,9 Вт (ширина излучающей апертуры 100 мкм, длина резонатора 3 000 мкм) [6]. Максимально достигнутая выходная оптическая мощность в одиночных лазерных диодах на основе двойных ЭНГС раздельного ограничения на основе алюминий-содержащей системы твердых растворов, составляет 13 Вт (ширина излучающей апертуры 100 мкм, длина резонатора 4 000 мкм) [9]. Следует отметить, что такая выходная оптическая мощность была получена на лазерном диоде при использовании двойной ЭНГС раздельного ограничения со сверхшироким симметричным волноводом (суммарная толщина волноводного слоя 3 мкм). В лазерном диоде на основе двойной ЭНГС раздельного ограничения с волноводом толщиной 1 мкм максимально достигнутая мощность составляет 8,9 Вт [10].
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что одиночные лазерные диоды, изготовленные на основе алюминий-не-содержащих и алюминий-содержащих твердых растворов в волноводных слоях и активной области, имеют примерно одинаковые мощностные характеристики. С точки зрения технологичности, наиболее удобной системой твердых растворов является AlGaAs. Достоинством системы твердых растворов AlGaAs является максимальная воспроизводимость результатов, а также минимальное рассогласование по периоду решетки с подложкой GaAs во всем диапазоне составов (максимальное значение рассогласования получается для AlAs и составляет 1,18 ∙ 10–3), что важно для обеспечения высоких оптических характеристик лазерного диода. К недостаткам системы AlGaAs следует отнести высокую способность алюминия к окислению. Поэтому не рекомендуется использовать при создании двойных ЭНГС раздельного ограничения слои AlxGa1–xAs c составом по алюминию (х) больше 0,6, т. к. чем больше содержание алюминия в слое, тем процесс окисления интенсивнее. Сильное окисление алюминиевых слоев может привести к ухудшению выходных характеристик лазерных диодов, а именно: уменьшению надежности, увеличению сопротивления и оптических потерь.
На основании вышесказанного была разработана для создания ЛЛ двойная ЭНГС раздельного ограничения на основе системы твердых растворов AlGaAs.
При разработке конструкции двойной ЭНГС раздельного ограничения для ЛЛ основными целями были: обеспечение работы ЛЛ на нулевой поперечной моде электромагнитной волны; обеспечение минимальных внутренних оптических потерь в волноводе ЛЛ; подавление выброса носителей заряда из активной области в волноводные слои; обеспечение минимального электрического сопротивления ЭНГС; обеспечение технологичности конструкции ЭНГС.
Для ЭНГС были выбраны следующие составы слоев: эмиттерный слой Al0,55Ga0,45As; волноводный слой Al0,37Ga0,63As; активная область – КЯ Al0,1Ga0,9As толщиной 12 нм.
Для обеспечения работы ЛЛ на нулевой поперченной моде электромагнитной волны и минимальных внутренних оптических потерь был проведен расчет профилей распределения электромагнитной волны в волноводе по модели, предложенной в [11]. Для обеспечения этих требований нами использовался расширенный волновод (1,5 мкм). Особенностью работы с широким волноводом является необходимость расчета по меньшей мере еще двух мод высшего порядка. Подавления этих мод можно добиться за счет максимизации оптических потерь и минимизации модального усиления для них. Для подавления мод высшего порядка используют асимметричный волновод со сдвигом активной области к Р‑эмиттеру.
На рис. 1 приведены результаты расчета распределения мод различных порядков электромагнитной волны. В табл. 2 представлены параметры рассчитанной ЭНГС.
Для отработки технологии изготовления ЛЛ была выбрана оптимальная технологическая схема сборки, позволяющая на финишной стадии в качестве готовой продукции получать ЛЛ с выходной оптической мощностью до 100 Вт, работающие в непрерывном режиме.
Построение технологической схемы по проведению сборочных операций при изготовлении ЛЛ основано на определенной базовой концепции:
высокая воспроизводимость характеристик технологических процессов;
возможность проведения нескольких технологических процессов в одной реакционной камере без ее вскрытия;
возможность легкой перестройки режимов при изменении параметров технологических процессов;
постоянный технологический контроль за проведением качества производимых технологических операций;
простота переоснастки и обслуживания используемого оборудования;
возможность осуществления корректировки и совершенствования технологической схемы;
минимальное воздействие окружающей среды при проведении технологического процесса.
Монтаж чипов ЛЛ на теплоотвод осуществлялся методом бесфлюсовой пайки через буферную пластину (сабмаунт) из CuW (80 / 20). Монтаж изолирующей пластины на теплоотвод проводился для обеспечения электрической развязки между токопроводящими контактами ЛЛ. В качестве материала пластины использовалась металлизированная с одной стороны керамическая пластина Al2O3 (поликор), обладающая высокими изоляционными свойствами и имеющая достаточно хорошую теплопроводность.
Для измерения выходной оптической мощности ЛЛ использовался калиброванный болометрический измеритель фирмы Ophir.
Спектральные измерения проводились с использованием оптоволоконного спектрометра ASP‑150TF.
На рис. 2 представлен внешний вид ЛЛ на водоохлаждаемом теплоотводе. На рис. 3 представлен габаритный чертеж ЛЛ на водоохлаждаемом теплоотводе. На рис. 4 представлена типичная зависимость выходной оптической мощности от тока накачки и КПД ЛЛ. Как показывает анализ зависимости, максимальный КПД ЛЛ достигает 55% при температуре ТО ЛЛ +25 °C.
На рис. 5 представлен типичный спектр ЛЛ. Узкая спектральная полоса излучения ~3–4 нм говорит о высокой однородности и качестве монтажа чипов ЛЛ. Распределение оптической мощности по полосковым излучателям (рис. 6) показывает высокую однородность по всей ширине излучающей площадки, что подтверждает качество гетероструктуры и высокую технологичность всех постростовых процессов изготовления ЛЛ.
Разработанные ЛЛ подвергались ресурсным испытаниям в режиме поддержания постоянной величины тока накачки, равного 115–117A (с номинальной выходной мощностью 100 Вт). При температуре ТО ЛЛ +25 °C в течение 1 000 часов падение выходной оптической мощности составило не более 1,5%. Таким образом, по линейной экстраполяции временной зависимости можно оценить ожидаемый ресурс работы ЛЛ при T = +25 как 10 000 часов.
На рис. 7 представлена зависимость изменения выходной мощности ЛЛ от времени наработки.
Заключение
Таким образом, в настоящей работе были разработаны и исследованы мощные высокоэффективные непрерывные ЛЛ, предназначенные для накачки твердотельных лазеров на основе ионов Nd+.
Благодарности
Работы выполнялись в соответствии с Программой Союзного государства России и Беларуси «Разработка критических стандартных технологий проектирования и изготовления изделий наноструктурной микро- и оптоэлектроники, приборов и систем на их основе и оборудования для их производства и испытаний» – СЧ ОКР «Разработка параметрических рядов мощных фотодиодов СВЧ‑диапазона, а также конструктивно и технологически подобных энергоэффективных инжекционных лазеров нового поколения в части изготовления эпитаксиальных наноструктурированных гетероструктур, разделения на чипы энергоэффективных инжекционных лазеров, нанесения защитных покрытий на зеркала чипов энергоэффективных инжекционных лазеров и сборки энергоэффективных инжекционных лазеров, системы оптической диодной накачки для высокоэнергетичного, полностью твердотельного лазера и полностью твердотельного лазера для промышленности, энергетики и специальных применений» шифр СЧ ОКР «Луч‑3.2.1».
Список литературы
Безотосный В. В., Васильева В. В., Винокуров Д. А., Капитонов В. А., Крохин О. Н., Лешко А. Ю., Лютецкий А. В., Мурашова А. В., Налет Т. А., Николаев Д. Н., Пихтин Н. А., Попов Ю. М., Слипченко С. О., Станкевич А. Л., Фетисова Н. В., Шамахов В. В., Тарасов И. С. Мощные лазерные диоды с длиной волны излучения 808 нм на основе различных типов асимметричных гетероструктур со сверхшироким волноводом. Физика и техника полупроводников. 2008; 42 (3):357–360.
Алуев А. В., Лешко А. Ю., Лютецкий А. В., Пихтин Н. А., Слипченко С. О., Фетисова Н. В., Чельный А. А., Шамахов В. В., Симаков В. А., Тарасов И. С. GaInAsP / GaInP / AlGaInP‑лазеры, излучающие на длине волны 808 нм, выращенные методом МОС‑гидридной эпитаксии. Физика и техника полупроводников. 2009; 43(4): 556–560.
Eliashevich I., Diaz J., Yi H., Wang L., Razeghi M. Reliability of aluminium-free 808 nm high-power laser diodes with uncoated mirrors. Applied Physics Letters. 1995; 66(23): 3087–3089.
Wang L. J., Wu S. L., Diaz J., Eliashevich I., Yi H. J., Razeghi M. Operating characteristics of Al-free InGaAsP / GaAs single quantum well high-power laser. Proceedings SPIE. 1996; 2886:114–117.
Peixu Li, Ling Wang, Shuqiang Li, Wei Xia, Xin Zhang, Qingmin Tang, Zhongxiang Ren, Xiangang Xu. MOCVD growth of AlGaInP / GaInP quantum well laser diode with asymmetric cladding structure for high power applications. Chinese Optics Letters. 2009; 7 (6): 489–491.
Diaz J., Yi H., Razeghi M., Burnham G. T. Long-term reliability of Al-free InGaAsP / GaAs (λ = 808 nm) lasers at high-power high-temperature operation. Applied Physics Letters. 1997; 71(21): 3042–3044.
Андреев А. Ю., Зорина С. А., Лешко А. Ю., Лютецкий А. В., Мармалюк А. А., Мурашова А. В., Налет Т. А., Падалица А. А., Пихтин Н. А., Сабитов Д. Р., Симаков В. А., Слипченко С. О., Телегин К. Ю., Шамахов В. В., Тарасов И. С. Мощные лазеры (λ = 808 нм) на основе гетероструктур раздельного ограничения AlGaAs / GaAs. Физика и техника полупроводников. 2009; 43(4): 453–457.
Jensena O.B., Klehrb A., Dittmarb F., Sumpfb B., Erbertb G., Andersena P. E., Petersen P. M. 808 nm tapered diode lasers optimised for high output power and nearly diffraction-limited beam quality in pulse mode operation. Proceedings SPIE. 2007; 6456: 64560A‑1–64560A‑10.
Knauer A., Erbert G., Staske R., Sumpf B., Wenzel H., Weyers M. High-power 808 nm lasers with a super-large optical cavity. Semiconductor Science and Technology. 2005; 20: 621–624.
Sebastian J., Beister G., Bugge F., Buhrandt F., Erbert G., Hansel H. G., Hulsewede R., Knauer A., Pittroff W., Staske R., Schroder M., Wenzel H., Weyers M., Trankle G. High-Power 810-nm GaAsP-AlGaAs Diode Lasers With Narrow Beam Divergence. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2001; 7(2):334–339.
Coldren L. A., Corzine S. W., Mashanovitch M. L. Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. Wiley. 2012.
Отзывы читателей
