CC BY
11Статья поступила в редакцию 02.11.09. Ред. рег. № 632
The article has entered in publishing office 02.11.09. Ed. reg. No. 632
УДК 51-73
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ДИОДНОГО ЛАЗЕРА С ВЫТЕКАЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР
В.И. Гвердцители
Институт системного анализа РАН 117312 Москва, пр. 60-летия Октября, д. 9 Тел.: 8-926-401-65-09; e-mail: gverts@yahoo.com
Заключение совета рецензентов: 10.11.09 Заключение совета экспертов: 15.11.09 Принято к публикации: 20.11.09
Представлен новый тип высокомощного и высокоэффективного диодного лазера с вовлеченным в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области. Описан принцип его работы, а также приведено сравнение расчета с экспериментом.
Ключевые слова: диодный лазер, вытекающее излучение, оптический резонатор, математическое моделирование.
EXPERIMENTAL AND CALCULATION MODEL OF DIODE LASER WITH LEAKING EMISSION INTO OPTICAL RESONATOR
V.I. Gverdtsiteli
Institute of System Analysis RAS 60-letiya Oktyabrya av., 9, Moscow, Russia, 117312 Tel.: 8-926-401-65-09; e-mail: gverts@yahoo.com
Referred: 10.11.09 Expertise: 15.11.09 Accepted: 20.11.09
New type of high-power and high-performance diode laser with involved into laser generation emission, leaking from active region, is presented. The principle of its work is described and also the comparison of calculation with experiment is made.
В современных лазерах существуют ограничения на мощность излучения, связанные с невозможностью получить одномодовую (по оси х) генерацию при толщине волноводного слоя более 1 мкм.
При превышении указанной толщины волновод-ной области возникает многомодовый режим генерации лазерного диода, что приводит к резкому снижению основных параметров лазера и, в первую очередь, к возникновению на выходе нескольких лучей, общая расходимость которых возрастает до 120° и более, что для большинства применений неприемлемо. В диодных лазерах с вытекающим излучением в
оптический резонатор (ДЛ-ВИОР) это принципиальное ограничение преодолено за счет создания такой многослойной структуры, в которой подавлено влияние мод высших порядков [1]. Экспериментально проверено, что в предложенных ДЛ-ВИОР с толщинами волноводных слоев в интервале от 4 мкм до 10 мкм устойчиво сохраняется режим одномодовой генерации [2]. Это достигается соответствующими составами и толщинами слоев лазерной гетерострук-туры при определенном соотношении между эффективным показателем преломления и показателем преломления слоя втекания (рис. 1).
Рис. 1. Схема продольного сечения гетероструктуры для обычного лазера и для ДЛ-ВИОР: 1 - активный InGaAs слой; 2-3 - барьерные GaAs слои; 4-5 - ограничительные слои; 6 - контактный р+-слой; 7 - n-GaAs подложка; 8 - слой втекания Fig. 1. The scheme of longitudinal section of heterostructure for an ordinary laser and for DL-LEOR: 1 - active InGaAs layer; 2-3 - barrier GaAs layers; 4-5 - limiting layers; 6 - contact p+-layer; 7 - n-GaAs substrate; 8 - layer of inflowing
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Преодоление указанного выше ограничения, а значит, увеличение толщины волноводного слоя позволяет существенно улучшить основные параметры ДЛ-ВИОР, а именно:
- существенно (в 3-5 раз) снизить расходимость лазерного излучения в вертикальной плоскости;
- снизить пропорционально толщине волновода плотность лазерного излучения на выводной грани;
- увеличить при соответствующем отводе тепла в несколько раз выходную мощность лазерного излучения;
- увеличить надежность и ресурс работы.
Важным достоинством ДЛ-ВИОР является присущая им существенно повышенная модовая стабильность по отношению к стандартным диодным лазерам. На стандартных диодных лазерах показано, что их модовая стабильность возрастает при снижении коэффициента локализации лазерного излучения (коэффициента оптического ограничения) Г в активном слое гетероструктуры. Если для стандартных лазеров коэффициент Г находится в пределах 1,32,7%, то для ДЛ-ВИОР этот коэффициент примерно на порядок меньше. Сказанное выше подтверждается экспериментально. Так, например, стабильная одно-модовая генерация лазерного излучения стандартного диодного лазера реализуется при максимальной ширине полосковой волноводной области, не превышающей 3-4 мкм, в то время как для ДЛ-ВИОР эта ширина достигает 8-12 мкм. Этим можно объяснить полученную компанией ОМОрйсБ повышенную мощность для одномодовых ДЛ-ВИОР.
Отметим также, что в отличие от обычных диодных лазеров для ДЛ-ВИОР необходим более тщательный расчет гетероструктуры и большая точность выращивания отдельных ее слоев по толщине и составу.
Для создания эффективных ДЛ-ВИОР с качественным излучением необходимо контролировать токовую зависимость коэффициента локализации оптического излучения в активном слое. При малых плотностях токов для обеспечения низких порогов лазерной генерации желательно, чтобы доля этого излучения, определяемая указанным коэффициентом локализации, была относительно велика, т. е. сравнима с величиной коэффициента локализации для обычных диодных лазеров. При этом вытекающее излучение может быть незначительным или даже практически отсутствовать. После достижения порогового тока генерации в остальном диапазоне рабочих токов достаточно только поддерживать достигнутый пороговый уровень излучения в активном слое. Здесь вытекающее излучение будет возрастать с увеличением тока накачки, и при достаточном превышении порога генерации доля излучения, выходящего из активного слоя, в полном выходном излучении будет превалирующей.
Преодоление указанных выше ограничений по од-номодовости и мощности излучения и создание ДЛ-ВИОР открывает большие возможности в развитии
принципиально новых высокомощных источников высококачественного лазерного излучения. Основу указанных источников лазерного излучения составляют комбинации задающего диодного лазера (мастер-лазер) с диодными усилителями, в которых роль задающего мастер-лазера выполняет ДЛ-ВИОР. Технологический принцип, заложенный в разработку, состоит в том, что в таких комбинированных источниках интегральное соединение задающего ДЛ-ВИОР с диодными усилителями реализуется наиболее эффективным и экономичным технологическим методом с использованием ионно-химического травления. Для стандартных диодных лазеров с толщиной волновод-ной области менее 1 мкм этот метод практически невозможен, так как оптическое (линзовое) соединение здесь неэффективно (значительные потери из-за малых размеров толщины волноводной области, сравнимой с длиной волны излучения, значительное увеличение себестоимости, большие габариты), и практического применения не нашел.
Одномодовые и многомодовые ДЛ-ВИОР являются базовыми и ключевыми элементами, входящими в состав лазерного оборудования для широкого круга применений: в волоконно-оптических системах передачи информации, оптических запоминающих устройствах, системах накачки твердотельных лазеров и волоконно-оптических лазеров и усилителей, в промышленности для обработки материалов, в приборах лазерной диагностики и медицины, в системах спутниковой навигации, в различных системах подсветки, а также в ряде научных и других применений.
В эксперименте проводились измерения ВАХ и ВтАХ различных структур ДЛ-ВИОР с целью проверки работоспособности приборов и сравнения с расчетом.
Для эксперимента использовались ДЛ-ВИОР, изготовленные на четырех различных гетерострукту-рах (ГС). Одна - старая, хорошо зарекомендовавшая себя ранее ГС 940-15 и три новых структуры: ГС 940-20, ГС 940-258 (симметричная), ГС 940-25А (асимметричная). Далее мы остановимся на результатах эксперимента для наиболее удачных структур: ГС 940-15 и ГС 940-258 и проведем сравнение их с двумя другими структурами, показавшими менее удачные характеристики излучения.
На каждой из гетероструктур формировались по-лосковые лазерные диоды различной ширины с различными отступами от полоска до ограничивающей канавки, а также с различной глубиной канавки. Всего было выбрано 3 глубины травления ограничивающих канавок, а именно ё = 2, 4 и 6 мкм.
Использовались три ширины контактного полоска Ж = 10, 100 и 200 мкм, а также различные отступы от полоска до боковой грани резонатора.
Гетероструктуры выращивались методом МОСУО. Ограничивающие канавки травились методом ионного травления. Зеркала формировались путем нанесения пленок окиси тантала.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (79) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
В представленной ниже табл. 1 приведены данные по зависимости мощности при токе 10 А от глубины канавок для каждой гетероструктуры.
Таблица 1
Мощности лазеров при разных значениях глубины канавки (I = 10 A)
Table 1
Laser powers at different values of channel deepness (I= 10 A)
Из этих зависимостей видно, что глубины канавки 2 мкм достаточно для бокового ограничения волновода и дальнейшее увеличение глубины канавки (4 мкм, 6 мкм) практически не влияет на выходную мощность лазера. Наилучшие результаты по выходной мощности, как уже отмечалось, показала структура ГС 940-258, при этом достигнуто рекордное пороговое значение плотности тока 175 А/см2. КПД лазера достигало значения 65%. Исходя из этих результатов, далее в данном эксперименте исследовалась только структура ГС 940-258.
Исследования показали, что при отступе К = 10 мкм лазер начинал генерировать две поперечные моды по оси у. Соответственно, для одномодового по у лазера максимальным отступом было значение К = 5 мкм. При исследовании многомодовых лазеров шириной 100 мкм зависимости выходной мощности от величины отступа К в диапазоне от 5 до 20 мкм не выявлено. Максимально достигнутая мощность -10 Вт. При повышении данной мощности происходило разрушение переднего зеркала в районе активного слоя. При этом мы находились на линейном участке ВАХ, что позволяет предположить наличие возможности существенно поднять мощность лазеров, если применить другую технологию нанесения зеркал.
Испытание лазера шириной полоска 200 мкм показало отсутствие зависимости максимальной мощности от ширины отступа К в диапазоне от 5 до 20 мкм. Была достигнута максимальная мощность 17 Вт при КПД 49%.
Следует отметить высокую степень повторяемости получаемых результатов, т. е. разброс мощности различных приборов составил не более 2%, что очевидно связано с уменьшением влияния дефектов корпусировки при увеличении площади прибора.
Расчеты по изложенной в работе [3] методике дают нам возможность следить за ходом событий и прогнозировать результаты исследований ватт-амперных характеристик, пороговых токов исследуемого прибора.
Расчетные и экспериментальные ВАХ ДЛ-ВИОР ГС 940-258 представлены на рис. 2 и 3 для ширины полоска 100 и 200 мкм.
10
О 2 4 6 8 10
•—- Эксперимент Ампер
-— Теория
Рис. 2. Эксперимент и расчетные ВАХ ГС 940-25S
для W = 100 мкм Fig. 2. Experiment and calculated VAC ГС 940-25S for W = 100 pm
20
Эксперимент Ампер
Теория
Рис. 3. Эксперимент и расчетные ВАХ ГС 940-25S для W = 200 мкм Fig. 3. Experiment and calculated VAC ГС 940-25S for W = 200 pm
Отличие ВАХ, приведенных на рис. 2 и 3, объясняется тем, что лазер с более широким контактом выдает большую мощность излучения, но при этом в большей мере начинают проявляться нелинейные эффекты, связанные с нагревом активной и волно-водной областей лазера и насыщением усиления. В результате характеристика, изображенная на рис. 2, больше соответствует расчетной, чем приведенная на рис. 3. Наклон ВАХ на рис. 2 равен 0,75 Вт/А, на рис. 3 - 0,7 Вт/А. Ближнее и дальнее поле излучения ДЛ-ВИОР ГС 940-25 S было рассчитано для двух значений тока накачки I = 0,05 А (под порогом) и I = 5 А (над порогом). Профиль показателя преломления и распределение интенсивности первой поперечной моды под порогом и при токе накачки I = 5 A показаны на рис. 4-5.
Отличительной особенностью ДЛ-ВИОР является то, что профиль основной моды сильно трансформируется при переходе через порог генерации.
Глубина канавки, U, мкм P0 сред., Вт, при I = 10 A
ГС 940-15 ГС 940-20 ГС 940-25S ГС 940-25A
2,00 7,30 4,50 8,00 7,60
4,00 7,40 4,70 8,20 6,70
6,00 7,50 4,80 7,70 7,70
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
—l_l
0 2 4
- Интенсивность
- Показатель преломления
mkm
риментальной поддержки расчетов. Поэтому о возможности повышения предельной мощности ДЛ-ВИОР мы можем судить лишь по косвенным результатам расчета, а именно по степени перекрытия модой слаболегированного волноводного слоя с минимальным затуханием. Увеличение толщины волно-водного слоя структуры ДЛ-ВИОР ГС 940-258 в модельном эксперименте до 15 мкм показало минимальные отличия в профиле генерируемой моды -лишь небольшое уширение. Это означает, что ожидать увеличения максимальной мощности ДЛ-ВИОР пропорционально толщине волноводного слоя не представляется реальным.
Рис. 4. Профиль показателя преломления структуры ГС 940-25S и распределение интенсивности нулевой поперечной моды ДЛ-ВИОР под порогом (I = 0,05 A) Fig. 4. Profile of the refraction index of the structure ГС 940-25S and distribution of intensity of null transverse mode DL-LEOR under boundary (I = 0.05 A)
Как и в рассмотренном выше случае, можно отметить процесс перемещения максимума интенсивности моды из активного слоя в расширенный волновод (слой втекания № 4 ДЛ-ВИОР ГС 940-25S). Такой процесс можно трактовать как формирование своеобразной «вытекающей» в расширенный волновод моды. Такая ситуация благоприятствует достижению рекордно больших мощностей излучения, так как основная часть мощности распространяется в толстом волноводном слое с малым затуханием (0,03 см-1). Вызывает интерес влияние величины затухания вол-новодного слоя на предельную мощность генерации, однако это требует введения в рассмотрение тепловых эффектов и учета деградации зеркал напротив активного слоя, что в любом случае требует экспе-
Рис. 5. Профиль показателя преломления структуры ГС 940-25S и распределение интенсивности поперечной моды при токе накачки I = 5 A Fig. 5. Profile of the refraction index of the structure ГС 940-25S and distribution of intensity of transverse mode at pumping current I = 5 A
Структура слоев ДЛ-Structure of layers DL
ВИОР 940-25S LEOR 940-25S
Таблица 2 Table 2
Номер слоя Доля алюминия Легирование слоя Тип слоя Толщина слоя, мкм Показатель преломления Коэффициент поглощения, см-1
Тип Концентрация
1 0 P-легированный 3,00E+19 Неактивный 0,1 3,5568 210,0000
2 0,4 P-легированный 4,00E+18 Ограничительный 0,5 3,3204 28,0000
3 0,2 P-легированный 3,00E+17 Волноводный 0,19 3,4350 2,1000
4 0 P-легированный 1,00E+16 Волноводный 0,01 3,5568 0,0700
5 0 Нелегированный 1,00E+16 Активный 0,008 3,6420 110,0000
6 0 N-легированный 1,00E+16 Волноводный 0,01 3,5568 0,0300
7 0,2 N-легированный 1,00E+16 Волноводный 0,19 3,4350 0,0300
8 0,3 N-легированный 1,00E+16 Волноводный 0,2 3,3777 0,0300
9 0,25 N-легированный 1,00E+16 Вытекание 5 3,4063 0,0300
10 0,4 N-легированный 2,00E+18 Ограничительный 0,4 3,3204 6,0000
11 0 N-легированный 2,00E+18 Неактивный 100 3,5568 6,0000
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (79) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Расчет распределения интенсивности поперечных мод структуры ДЛ-ВИОР показал, что из возможных 10 мод под порогом генерации при переходе через порог остается одна. Это связано с выбором толщины буферных слоев, ограничивающих волноводный слой (табл. 2). Математически это означает, что комплексные частоты мод трех низших порядков при переходе через порог приобретают одинаковые значения. Моды более высоких порядков становятся энергетически невыгодными и не участвуют в процессе генерации.
Дальнее поле генерации моды получается близким к симметричному с полушириной около 10° (рис. 6).
txn32/taf_ieid_n' '-
/ l
-30 -10 О 10 30 50
Рис. 6. Дальнее поле структуры ГС 940-25S ДЛ-ВИОР
при токе накачки I = 5 A Fig. 6. Farther field of the structure ГС 940-25S DL-LEOR at pumping current I = 5 A
Расчет показал существование в ДЛ-ВИОР механизма вытекания излучения из активного слоя в широкий волноводный слой, а также подтвердил увеличение степени вытекания с ростом накачки, вызванное изменением оптических параметров волноводной структуры.
Заключение
Таким образом, в настоящей работе представлен новый тип высокоэффективных и высокомощных полупроводниковых лазеров с вовлеченным в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области в расширенный волноводный слой. Приведены результаты сравнения расчетов с экспериментом. Сравнение результатов расчета ватт-амперных характеристик структур ДЛ-ВИОР с экспериментальными данными приборов, изготовленных в компании ОМОрйсБ, показало совпадение пороговых токов и наклона характеристик в диапазоне токов накачки до 10 А в приборах с шириной активной области 100 мкм и до 20 А для ширины 200 мкм. Расчетные и экспериментальные значения пороговых токов составили 0,57 А и 0,6 А соответственно (100 мкм); 0,9 А и 1,1 А (200 мкм). Пороговая плотность тока, таким образом, в рассмотренных ДЛ-ВИОР лежит в пределах 450-600 А/см2.
Список литературы
1. Международная заявка «Инжекционный лазер», РС1Жи99/00275 / Швейкин В.И. // публикация № W000/10235 от 24.02.2002 г. и дополнение от 5.06.2000 г.
2. Швейкин В.И., Геловани В.А. Новые диодные лазеры с вытекающим излучением в оптическом резонаторе // Квантовая электроника. 2002. Т. 32, № 8. С. 683-688.
3. Гвердцители В.И. Алгоритм решения самосогласованной модели диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор // Молодой ученый. 2009. № 11.
8-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА ХИМИЧЕСКОЙ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СНЕМ 2010
Время проведения: 19.03.2010 - 22.03.2010
Место проведения: Греция, Афины
Темы: Биотехнологии, Лабораторное и аналитическое оборудование, Химия
Выставка СНЕМ проводится с периодичностью 3 года и направлена на демонстрацию новых разработок в оборудовании и технологиях химической отрасли, химикатах и лабораторном оборудовании и т. д.
Параллельно проводится 2-я выставка по экологии, очистке и переработке воды и возобновляемой энергетике ЕеоЫпк 2010.
Выставка СНЕМ 2010 пользуется поддержкой Министерства развития и ряда отраслевых ассоциаций и изданий.
В 2007 году в выставке на площади 8700 кв. м принимали участие 121 компания из 7 стран и 5200 посетителей-специалистов из 8 стран мира.
Профили выставки СНЕМ 2010: научное, лабораторное и аналитическое оборудование, химическая продукция - сырье, полуфабрикаты и готовая продукция, минеральные масла, контроль качества, энергосберегающие технологии, безопасность, экология, водные технологии, биотехнологии и нанотехнологии, приборы и оборудование для химической, фармацевтической, косметической отраслей.
Echem
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
