Poprawa charakterystyk promieniowania diod laserowych dużej mocy poprzez zastosowanie struktur periodycznych w płaszczyźnie złącza

Transkrypt

1 Poprawa charakterystyk promieniowania diod laserowych dużej mocy poprzez zastosowanie struktur periodycznych w płaszczyźnie złącza Grzegorz Sobczak, Elżbieta Dąbrowska, Marian Teodorczyk, Joanna Kalbarczyk, Andrzej Maląg

2 PLAN PREZENTACJI 1. Motywacja. Heterostruktura asymetryczna 3. Szerokokontaktowe diody laserowe wysokiej mocy. Sprzężone fazowo matryce 5. Struktury dwusegmentowe 6. Podsumowanie

3 Motywacja Budowa diody laserowej wysokiej mocy wymaga: zapewnienia wysokiego progu katastroficznej degradacji (COD) zwiększenie deff = d/γ (d grubość studni kwantowej, Γ współczynnik efektywnego oddziaływania fali prowadzonej z warstwą aktywną) konstrukcji o niskich opornościach elektrycznych i termicznych dużego obszaru aktywnego aktywne struktur o dużych wymiarach falowody

4 Heterostruktura Asymetryczna zzzzzzzz Wzrost deff i progu COD Mała rozbieżność wiązki Rozkład pola optycznego przesunięty na stronę n diody Strona p o małej grubości A. Maląg, E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Kozłowska, J. Kalbarczyk, Asymmetric heterostructure with reduced distance from active region to heatsink for 810-nm range high-power laser diodes, IEEE J. Quantum Electron., vol. 8, no., April 01

5 Realizacja / Technologie Heterostruktura: Naprężona rozciągająco GaAsP/AlGaAs/GaAs (λ = 808 nm) Metaloorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) Lasery: definiowanie obszarów aktywnych: implantacja jonów He+ lub chemiczne trawienie naparowanie i wtopienie kontaktów elektrycznych podział na linijki naparowanie pokryć tylnich i przednich luster laserów (AlO3 i Ag/AlO3) podział na struktury

6 Lasery Szerokokontaktowe Rozkład promieniowania w płaszczyźnie prostopadłej do złącza falowód wzmocnieniowy: d = 0,09 mm ; L = mm

7 Lasery Szerokokontaktowe 3.5 ver P o T = prąd I [A] d = 0,09 mm PCE 1.5 U [V] U napięcie P [W] moc optyczna L = mm PCE Ith = 0,37 A 0.1 η = 1.19 W/A 0.0 PCEmax = 51%

8 Lasery Szerokokontaktowe 0.5 moc optyczna P U 808 nm ver o T = 15 C 0 1 prąd I [A] d = 0,09 mm PCE 3 U [V] 0. 3 L = 3 mm PCE napięcie P [W] Ith = 0,5 A 0.1 η = 1.05 W/A 0.0 PCEmax = 5%

9 Lasery Szerokokontaktowe PCE 5 3 P U 3 o 1 0 ver 1 T = prąd I [A] Ith = 0,9 A 0.1 η = 1. W/A PCE d = 0,18 mm U [V] 5 0. L = mm napięcie moc optyczna P [W] PCEmax = 5%

10 Lasery Szerokokontaktowe Falowód dielektryczny definiowany trawieniem mokrym L = 1 mm Seria 808v-3G: d = 0.16 mm ; Ith = 0.57 A ; η = 1.6 W/A Seria 808v1-5A: d = 0.09 mm ; Ith = 0.3 A ; η = 1.33 W/A

11 Lasery Szerokokontaktowe Fotografie rozkładów w strefie dalekiej Praca impulsowa czas impulsu Ts = 0. s 808v-3G d = 160 µ m znormalizowane natężenie znormalizowane natężenie okres impulsu Tr = 0.19 ms prąd: 1A A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg] 808v1-5A d = 90 µ m prąd: 1A A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg]

12 Normalized intensity [a.u] Sprzężone Fazowo Matryce Normalized intensity [a.u] Angle [deg] Angle [deg]

13 Sprzężone Fazowo Matryce Em ( x ) exp[iβ m z ] E ( x, z ) = N m= 1 Strefa bliska de dz l E ( x, z ) = N sin(m m= 1 Strefa daleka = im E κ 1, N β 1 κ 1, κ β1,1 M= κ N 1, N β N κ N,1 κ N, N 1 κ l,l + 1 = κ β 1 = β = = β N = β πl ) Em exp(iγ l z ) N+1 J. K. Butler, D. E. Ackley and D. Botez, Coupled-Mode Analysis of Phase-Locked. Injection Laser Arrays, Appl. Phys. Lett. Vol., pp , Feb. 198 Am ( z )Em ( x, z ) F ( Θ ) = E ( Θ ) I l ( Θ ) F ( Θ ) = ℑ {E l ( x )} I l (Θ ) = ( N + 1)( k0 S sin Θ + ϕ ) lπ sin + k0 S sin Θ + ϕ sin ( N + 1) lπ sin ( N + 1 ) D. Botez, Array-Mode Far-Field Patterns for PhaseLocked Diode-Laser Arrays: Coupled-Mode Theory Versus Simple Diffraction Theory, IEEE J. Quantum Electron., VOL. QE-1, NO. 11, NOVEMBER 1985

14 Sprzężone Fazowo Matryce l= l= l=5 l=3 l=6 E l l=1 przednie lustro lasera Strefa daleka znormalizowane natężenie Strefa bliska l=1 l= l= l=5 l=3 l= rozbieżność kątowa wiązki o Θ []

15 Sprzężone Fazowo Matryce d S Seria 808v-3G Seria 808v1-5B N = 0 N = 0 S = 9 μm S = 6 μm h = μm h = μm d =.7.8 μm d = 3.5 μm

16 Sprzężone Fazowo Matryce 808v-3G PLA 808v1-5B S = 9 μm S = 6 μm d =.7 μm d = 3.5 μm N = 0 N = 0 PLA η = W/A η = W/A modelowanie 808v-3G si7 PLA prąd: 1A A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg] znormalizowane natężenie Ith = A znormalizowane natężenie Ith = A modelowanie 808v1-5B s6b3 PLA prąd: 1A 10 A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg]

17 Sprzężone Fazowo Matryce Seria 808v1-5B Niejednorodne trawienie przestrzeni międzypaskowych! I=A N I=0A

18 Struktury dwusegmentowe Lstruktury = 1 mm LBA = 110 μm

19 Struktury dwusegmentowe PLA-BA-LR PLA-BA-HR dba= 0.16 mm dba= 0.16 mm d =.7 μm d =.7 μm N = 0 N = 0 η = W/A η = W/A 808v-3G PLA-BA-LR sg prąd: 1A A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg] znormalizowane natężenie Ith = A znormalizowane natężenie Ith = A 808v-3G PLA-BA-HR sh prąd: 1A A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg]

20 Struktury dwusegmentowe 808v-3G 808v1-5A dba= 0.16 mm dba= 0.09 mm d =.7 μm d = 3.5 μm N = 0 N = 15 Ith = A η = W/A η = W/A 808v-3G BA-PLA-LR znormalizowane natężenie znormalizowane natężenie Ith = A prąd: 1A A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg] 808v1-5A BA-PLA-LR prąd: 1A A kąt od normalnej w płaszczyźnie złącza Θ [deg]

21 Podsumowanie Zastosowanie heterostruktury asymetrycznej umożliwia konstrukcje laserów o podwyższonym progu COD i o zmniejszonej oporności termicznej Zastosowanie falowodów jednomodowych w sprzężonej fazowo matrycy poprawia jakość emitowanego promieniowania Zastosowanie segmentu szerokopaskowego w PLA zwiększa dyskryminację między supermodami poprzez wprowadzenie dodatkowego sprzężenia Dwusegmentowe diody laserowe typu PLA z krótkim segmentem szerokopaskowym charakteryzują się lepszymi parametrami elektrooptycznymi niż standardowe lasery PLA Zastosowanie krótkiego segmentu sprzężonego fazowo w laserach szerokopaskowych nie wskazuje na poprawę charakterystyk urządzeń

22