Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 14_Мощные лазеры
.pdfМощные 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 WL− Pout 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