Скачиваний:
96
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
328.03 Кб
Скачать

Мощные лазеры

Мощные лазерные диоды представляют собой особый класс полупроводниковых лазеров. Их специфика диктует особые методы оптимизации, отличающиеся от случаев, например, относительно маломощных лазеров для волоконно-оптической связи. В частности, особое внимание должно быть уделено механизмам ограничения выходной мощности и КПД.

К мощным полупроводниковым лазерам можно отнести лазерные диоды, предназначенные для работы в непрерывном (CW, continuous wave) или квази-непрерывном режимах с выходной мощностью несколько 10 мВт с 1 мкм ширины полоска.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 1

Некоторые применения мощных лазеров:

1.Накачка легированных Er волоконных усилителей (λ=0.98 мкм, одномодовый)

2.Накачка твердотельных лазеров Yb:YAG (λ=0.94 мкм, многомодовый).

3.Накачка твердотельных лазеров Nd:YAG (λ=0.81 мкм, многомодовый).

Рекордные CW-мощности (10-12 Вт с апертуры 100 мкм) принадлежат лазерам на основе InGaAs квантовых ям.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 2

Основные механизмы ограничения выходной мощности

1.Переход в многомодовый режим – только для одномодовых или одночастотных лазеров. Выходная мощность продолжает расти, но становится бесполезной для данного типа применения.

2.Ограничение темпа захвата носителей в активную область – механизм аналогичен рассмотренному возгоранию боковых продольных мод. Когда ширина спектра достигнет ширины спектра усиления, выходная мощность будет насыщена. Произойдет переход к генерации через возбужденное состояние, на более короткой длине волны.

3.Саморазогрев активной области (так называемый “тепловой загиб”) – характерно для лазеров с низким КПД или узким полоском.

4.Катастрофическое разрушение зеркал оптической мощностью – харктерно для лазеров с высоким КПД и широким полоском.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 3

Саморазогрев активной области

Когда электрическая мощность увеличивается сверх порога, она распределяется между выходной оптической мощностью Pout лазера и электрическими потерями Ploss:

Pin = IV = Pout + Ploss

Последнее слагаемое в правой части выражения представляет собой бесполезную мощность, которая преобразуется в джоулево тепло, вызывая увеличение температуры активной области, т.е. само-разогрев лазера.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 4

Увеличение температуры активной области вследствие саморазогрева:

T = PlossRth IV WLPout ρth

где Rth ρth (WL) - тепловое сопротивление диода (К/Вт)

ρth - удельное тепловое сопротивление (отнесенное к площади, Ксм2/Вт)

Приближенное равенство означает, что поверхность диода должна быть достаточно велика, чтобы эффектами диссипации тепла на боковых гранях можно было пренебречь.

Чем больше площадь диода и чем ниже удельное тепловое сопротивление, тем меньше увеличение температуры активной области при одинаковом выделении тепла и тем, следовательно, меньше эффект саморазогрева на выходные характеристики лазера.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 5

Удельное тепловое сопротивление зависит от свойства теплового контакта между диодом и теплоотводом, и теплопроводности слоев, составляющих лазерную структуру и лежащих между активной областью и контактом.

Rth=

ρth

1

i

di

 

ln(dhs /W )

 

 

 

+

 

WL

WL

κi

Lπκhs

где κi – теплопроводность i-го слоя толщиной di

Последний ln-член приближенно описывает тепловое сопротивление, обусловленное массивным теплоотводом

Удельное тепловое сопротивление некоторых материалов

Материал

AlGaAs

GaAs

Au

In

Cu

 

 

 

 

 

 

Теплопроводность, Вт/(К см)

0.13

0.55

3.2

0.82

4.0

 

 

 

 

 

 

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 6

n+ GaAs подложка

n AlGaAs эмиттер

p AlGaAs эмиттер

p+ GaAs контактный слой Au контактный металл In припой

Cu теплоотвод

Типичная последовательность слоев при монтаже полоскового лазера p+ контактом на теплоотвод

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 7

сопротивление x мм

100

 

 

10

 

 

тепловое xL (K/Вт)

 

 

 

 

 

th

 

AlGaAs+GaAs

 

Приведенное R

 

 

1

Au+In+Cu

 

полное

 

 

 

 

 

 

 

1

10

100

 

 

Ширина полоска W (мкм)

 

Тепловое сопротивление полоскового лазера на медном теплоотводе при монтаже p-контактом вниз.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 8

При использовании n+-легированной подложки, активная область лазера располагается близко к p-контакту. Поэтому применяемое монтирование лазерных диодов p-контактом на теплоотвод обеспечивает более хороший отвод тепла от активной области (меньшее тепловое сопротивление) по сравнению с монтированием p-стороной вверх.

 

 

 

P-side down

resistance, K/W x mm

100

 

P-side up

 

 

 

 

 

Thermal

10

 

 

 

 

 

 

1

10

100

Stripe width, µm

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 9

Учитывая выражения, связывающие между собой ток накачки и выходную мощность (Pout =η(I Ith )), увеличение температуры лазера может быть представлено как функция выходной оптической мощности:

T = WLρth [(Pout η + Ith )2 Rs +(Pout η + Ith )V0 Pout

Видно, что температура диода возрастает как вторая степень выходной мощности, т.е. саморазогрев преобладает именно в мощных лазерах.

При увеличении ширины и длины резонатора электрические и тепловые характеристики диода улучшаются (RS и Rth падают). Поэтому типичной конструкцией мощного лазера является структура с широким полоском (W~100 мкм, если нет требования к модовому характеру излучения) при большой длине полоска (L~1-3 мм).

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 10