Diody laserowe dużej mocy i matryce diod laserowych na pasmo 800 nm

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

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

Optyczne elementy aktywne

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Opracowanie nowych koncepcji emiterów azotkowych ( nm) w celu ich wykorzystania w sensorach chemicznych, biologicznych i medycznych.

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

ZAGADNIENIA OPTYMALIZACJI KONSTRUKCJI DIOD LASEROWYCH DUŻEJ MOCY

Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

PL ISSN MATERIAŁY ELEKTRONICZNE T NR 4

Lasery półprzewodnikowe historia

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Wysokowydajne falowodowe źródło skorelowanych par fotonów

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

VI. Elementy techniki, lasery

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

Różnorodne zjawiska w rezonatorze Fala stojąca modu TEM m,n

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Systemy laserowe. dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki

PL B1. INSTYTUT TECHNOLOGII ELEKTRONOWEJ, Warszawa, PL INSTYTUT FIZYKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Warszawa, PL

Ogólne cechy ośrodków laserowych

Załącznik nr 1. Projekty struktur falowodowych

Projekt NCN DEC-2013/09/D/ST8/ Kierownik: dr inż. Marcin Kochanowicz

Laser z podwojeniem częstotliwości

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Fizyka Laserów wykład 11. Czesław Radzewicz

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

Polaryzacja anteny. Polaryzacja pionowa V - linie sił pola. pionowe czyli prostopadłe do powierzchni ziemi.

Laserowe technologie wielowiązkowe oraz dynamiczne formowanie wiązki 25 październik 2017 Grzegorz Chrobak

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Ćwiczenie 1. Parametry statyczne diod LED

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp

Wybrane elementy optoelektroniczne. 1. Dioda elektroluminiscencyjna LED 2. Fotodetektory 3. Transoptory 4. Wskaźniki optyczne 5.

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Wzmacniacze optyczne ZARYS PODSTAW

Wielomodowe, grubordzeniowe

II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

SPRAWOZDANIE NAUKOWE

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Wzmacniacze optyczne

Elementy optoelektroniczne. Przygotował: Witold Skowroński

ELEMENTY SIECI ŚWIATŁOWODOWEJ

Wprowadzenie do struktur niskowymiarowych

Materiały fotoniczne

Azotkowe diody laserowe na podłożach GaN o zmiennym zorientowaniu

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

UKŁADY ELEKTRONICZNE Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Badanie transoptora

Politechnika Wrocławska Wydział Podstawowych Problemów Techniki

Adres strony internetowej, na której Zamawiający udostępnia Specyfikację Istotnych Warunków Zamówienia:

Sprzęg światłowodu ze źródłem światła

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Energia emitowana przez Słońce

Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych

6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe

Elementy optoelektroniczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Źródła światła w technice światłowodowej - podstawy

Własności światła laserowego

PL B1. WOJSKOWY INSTYTUT MEDYCYNY LOTNICZEJ, Warszawa, PL BUP 23/13

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

Grafen materiał XXI wieku!?

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Struktura pasmowa ciał stałych

1. W gałęzi obwodu elektrycznego jak na rysunku poniżej wartość napięcia Ux wynosi:

Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki. Światłowody

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Zmiany parametrów optycznych i elektrycznych diod laserowych na pasmo 808 nm i 880 nm w czasie długotrwałej pracy

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Materiały w optoelektronice

Spektrometr ICP-AES 2000

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

Zasada działania tranzystora bipolarnego

Źródła światła: Lampy (termiczne) na ogół wymagają filtrów. Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 3 1/18

spis urządzeń użytych dnia moduł O-01

III. METODY OTRZYMYWANIA MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Janusz Adamowski

Światłowodowe Sensory interferencyjne: zasady pracy i konfiguracje

POLITECHNIKA POZNAŃSKA KATEDRA STEROWANIA I INŻYNIERII SYSTEMÓW

Zjawiska w niej występujące, jeśli jest ona linią długą: Definicje współczynników odbicia na początku i końcu linii długiej.

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA / /20 (skrajne daty)

Parametry i technologia światłowodowego systemu CTV

Systemy laserowe. dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki

Optyka instrumentalna

Światłowodowy pierścieniowy laser erbowy

Kształtowanie przestrzenne struktur AlGaInN jako klucz do nowych generacji przyrządów optoelektronicznych

Urządzenia półprzewodnikowe

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Co to jest kropka kwantowa? Kropki kwantowe - część I otrzymywanie. Co to jest ekscyton? Co to jest ekscyton? e πε. E = n. Sebastian Maćkowski

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Transkrypt:

nie siatek atermicznych powinno dać stałość rzędu: 3 10-8. Szerokość linii lasera poszerzona fluktuacjami środowiskowymi (drgania akustyczne) wyniosła ok. 90 khz (rys. 6. Podsumowanie Zaprezentowano praktyczną realizację jednoczęstotliwościowego mikrolasera Nd:YAG/KTP z dwójłomnym filtrem Lyota o mocy wyjściowej 50 mw dla długości fali 532 nm w modzie TEM 00. Przedstawiono możliwość termicznego przestrajania lasera w paśmie 200 GHz z zachowaniem pracy w jednym modzie podłużnym. Zaprezentowano nowy oryginalny układ stabilizacji częstotliwości z wykorzystaniem światłowodowej siatki Bragga jako znacznika częstotliwości. Określono długoterminową stałość częstotliwości badanych mikrolaserów na 160 MHz, co daje stałość częstotliwości: 6 10-7. Przeprowadzone badania były współfinansowane ze środków Komitetu Badań Naukowych (projekt nr: PBZ- MIN 009/T11/2003) za co autorzy pracy dziękują Literatura Rys. 6. Dyskryminacyjny sygnał błędu w pętli sprzężenia zwrotnego dla przypadku silnego zaburzenia środowiskowego (dmuchnięcie bezpośrednio na laser sprężonym powietrzem) (, sygnał heterodyny dwóch laserów Nd:YAG/KTP zarejestrowany elektrycznym analizatorem widma HP8592L ( Fig. 6. Voltage error voltage signal of the frequency control loop where the state of equilibrium was upset by rapid airflow (, the zoom of the heterodyne signal taken from RF spectrum analyzer with the 30 ms scan (HP8592L) ( [1] Schawlow L, Townes C.H.: Infrared and optical masers. Physical Review, vol.112, no.6, pp.1940-9, 1958. [2] Chen Y.F, Huang T.M., Wang C.L., Lee L.J., Wang S.C.: Theoretical and experimental studies of single-mode operation in a diode pumped Nd:YVO4/KTP green laser: influence of KTP length. Optics Comm., 152, pp. 319-323, 1998. [3] Chen Y.F.: Influence of KTP Length on the Performance Intracavity Frequency Doubled Diode Pumped Nd:YVO4 Lasers. IEEE Photonic Technology Lett., vol.10, no.5, pp. 669, 1998. [4] Friel G. J., Kemp A.J., Lake T.K., Sinclair B.D.: Compact and efficient Nd:YVO4 laser that generates a tunable single-frequency green output. App. Optics, vol.39, no. 24, p. 4333, 2000. Diody laserowe dużej mocy i matryce diod laserowych na pasmo 800 nm dr hab. inż. ANDRZEJ MALĄG, WŁODZIMIERZ STRUPIŃSKI, MARIAN TEODORCZYK, LECH DOBRZAŃSKI, ELŻBIETA DĄBROWSKA, KACPER GRODECKI Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa Głównym obszarem zastosowań diod laserowych na pasmo 800 nm są układy pompowania optycznego laserów na ciele stałym (Nd: YAG), krystalicznych i ceramicznych. Ważnym obszarem są też zastosowania przemysłowe i medyczne. W pierwszym z wymienionych tolerancja na długość fali emitowanej jest najostrzejsza (λ = 808 ± 1 nm). Wymagania dla mocy emitowanej są rzędu watów przy pompowaniu optycznym mikrolaserów z materiałów tlenkowych [1] i sięgają kilowatów w przypadku pompowania przemysłowych laserów na ciele stałym. W zakresie powyżej kilku watów diody laserowe (DL) zastępowane są liniowymi lub dwuwymiarowymi matrycami diod laserowych. Z powodu wąskiej tolerancji na długość fali (λ), diody lub diodowe matryce laserowe (DML) do zastosowań pompowych są selekcjonowane. Najmniej wymagające w tym kontekście są zastosowania medyczne. Oczywiście, we wszystkich przypadkach oczekiwana jest duża niezawodność. W konstrukcji DL dużej mocy istotne stało się zapewnienie wysokiej jakości emitowanej wiązki promieniowania, co jest niezbędnym warunkiem efektywnego sprzężenia optycznego DL z odbiornikiem - pompowanym laserem lub światłowodem. Ma to wpływ na projektowanie, począwszy od najwcześniejszego etapu - heterostruktury laserowej. Prace o takim profilu prowadzone były w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w ramach Projektu Zamawianego PBZ-MIN-009/T11/2003. Niniejszy artykuł charakteryzuje skrótowo DL o pracy ciągłej (CW) o mocy emitowanej do 2,5 W i do 5 W, zależnie od rozmiarów rezonatora i typu obudowy oraz DML złożone z 8 emiterów o mocy optycznej do 12 W (CW), uzyskane jako wyniki tego Projektu. Charakterystyczne są rekordowo niskie (rzędu 15º) rozbieżności wiązki promieniowania tych przyrządów w płaszczyźnie prostopadłej do złącza. 108 ELEKTRONIKA 11/2008

Projektowanie diod laserowych dużej mocy Najważniejszymi z punktu widzenia użytkownika parametrami są sprawność energetyczna, maksymalna moc osiągalna i jakość emitowanej wiązki promieniowania. Sprawność energetyczna definiowana jest jako stosunek emitowanej mocy optycznej (P) do dostarczonej mocy elektrycznej (PCE - Power Conversion Efficiency): (1 (1 oraz S [W/A] - nachylenie charakterystyki P-I diody, η d - zewnętrzna sprawność kwantowa, hν - energia kwantu promieniowania DL, e - ładunek elektronu, V F - separacja quasi-poziomów Fermiego dla danego I, I - prąd diody (poziom wysterowani, I th - prąd progowy, R s - rezystancja szeregowa, V 0 - napięcie uzyskane z przecięcia stycznej do charakterystyki I-V dla I I th z osią I = 0, η i - wewnętrzna sprawność kwantowa, α i wewnętrzne (nienasycalne) straty w rezonatorze, α m - straty na lustrach: α m = (2L) -1 ln(r f R r ) -1, gdzie: L - długość rezonatora, R f i R r - współczynniki odbicia przedniego i tylnego lustra. Z PCE związane są temperatury charakterystyczne T 0 i T 1 opisujące, odpowiednio, wzrost prądu progowego (I th ) i spadek sprawności kwantowej η d ze wzrostem temperatury. Zatem charakteryzują one spadek PCE ze wzrostem temperatury. Jakość emitowanej wiązki promieniowania - definiowana jest parametrem M 2 i parametrem jaskrawości B (Brightness): Degradacja katastroficzna polega na przetopieniu powierzchni luster wskutek autoabsorpcji promieniowania emitowanego w objętości obszaru aktywnego. Autoabsorpcja w okolicy luster zapoczątkowana jest przez rekombinację powierzchniową i rośnie ze wzrostem temperatury przyrządu przy wzroście wysterowania (I). Jest to proces z dodatnim sprzężeniem zwrotnym i dla pewnej wartości P (definiowanej jako próg COD) staje się lawinowy. Fotografię SEM lustra DL zniszczonego przez COD przedstawia rys. 1 Podwyższenie progu COD można osiągnąć metodami technologicznymi (przez pasywację luster półprzewodnikowych - redukującą rekombinację powierzchniową, a następnie osadzenie pokryć dielektrycznych) oraz przez zmniejszenie gęstości mocy optycznej na lustrach. Osiąga się to poprzez rozszerzenie rozkładu pola fali prowadzonej w falowodzie heterostruktury laserowej dzięki odpowiedniej modyfikacji projektowej [2-4]. Pokazuje to rys. 2, gdzie porównane są heterostruktury SQW (z pojedynczą studnią kwantową): typowa SCH (Separate Confinement Heterostructure - z rozdzielonym ograniczeniem nośników i optycznym) z zaprojektowaną w ITME heterostrukturą DBSCH (Double Barrier SCH), w której znacznie rozszerzony rozkład natężenia pola optycznego (C) wynika ze słabego efektu falowodowego związanego z cienkimi ωθ = M 2 λ4/π, B = P/(AΩ) P/[(ω θ )(ω ll θ ll )] P/(M 2 M2 ll ) (2) Dla M 2 = 1 pierwszy człon wyrażenia (2) opisuje limit dyfrakcyjny (dla wiązki gaussowskiej), gdzie ω - średnica wiązki w miejscu minimum, θ - rozbieżność w strefie dalekiej. Dla DL można przybliżyć ωθ iloczynem AΩ, gdzie: A jest powierzchnią szczeliny emitującej, a Ω kątem bryłowym określającym rozbieżność wiązki. Powierzchnia emitująca DL w postaci szczeliny (o rozmiarach ω ll i ω ) i różne na ogół mechanizmy falowodowe w płaszczyźnie złącza (II) i w kierunku prostopadłym do złącza ( ) powodują różne rozbieżności θ ll i θ. W kierunku rozkład pola optycznego w cienkim falowodzie heterostruktury jest jednomodowy, jednak o bardzo dużej rozbieżności θ, podczas gdy w kierunku II w falowodzie wzmocnieniowym o dużej szerokości W ω ll fala prowadzona jest wielomodowa, ze skłonnością do formowania włókien wskutek efektów autokolimacyjnych. Pogorszenie możliwości ogniskowania wiązki opisuje się przez rosnącą wartość M 2 : typowe wartości M 2 są w zakresie 1,5...4, a wartości M2 ll są rzędu 100 i więcej. Osiągnięcie dużej jaskrawości [B - wzór (2)] wymaga dużej mocy emitowanej P (a więc dużej wartości PCE i wysokiego progu degradacji luster) oraz zapewnienia wysokiej jakości falowodów w obu płaszczyznach. Optymalizacja tego parametru skupia w sobie praktycznie wszystkie zagadnienia projektowania i technologii DL. Maksymalną użyteczną moc optyczną dla DL dużej mocy wyznacza najczęściej próg katastroficznej degradacji luster (oznaczany jako próg COD - Catastrophic Optical Damage). Rys. 1. Fotografia SEM lustra DL po degradacji katastroficznej Fig. 1. SEM microphotograph of catastrophically degraded LD s facet. ITME files Rys. 2. Porównanie profili składów (zawartości Al) i rozkładów pola podstawowego modu poprzecznego TM 0 dla konwencjonalnej heterostruktury SCH-SQW (profil S) i zmodyfikowanej dla DL dużej mocy heterostruktury DBSCH-SQW (profil C). Obliczone dla tych rozkładów rozbieżności wiązki (θ θ TM ) wynoszą odpowiednio 41º i 14º Fig. 2. Comparison of composition (Al-content) profiles and of fundamental transverse mode TM 0 profiles for a conventional SCH- SQW heterostructure (profile S) and DBSCH-SQW (profile C) - the modified one for high-power LDs design. Calculated beam divergences (θ θ TM ) are 41º i 14º, respectively ELEKTRONIKA 11/2008 109

warstwami falowodowymi i dodatkowymi warstwami barierowymi wstawionymi pomiędzy warstwy falowodowe i emiterowe. Przez grubość i skład (zawartość Al) tych warstw optymalizuje się rozkład pola optycznego [3,4]. Zastosowanie cienkiego falowodu zmniejsza prawdopodobieństwo ucieczki nośników z QW, co bywa jedną z głównych przyczyn pogorszenia stabilności termicznej DL (spadku parametru T 0 ). Widoczne jest szerokie wnikanie pola optycznego w warstwy ograniczające, zatem dla zachowania wysokiej sprawności kwantowej i PCE ważny jest odpowiedni rozkład domieszkowania tych warstw, zapewniający mały współczynnik strat na swobodnych nośnikach α i. Szerokość połówkową rozkładu natężenia pola w heterostrukturze można traktować jako parametr ω. Poszerzenie ω powoduje, oprócz podwyższenia progu COD, zmniejszenie rozbieżności wiązki θ (limit dyfrakcyjny), co jak wiemy, jest bardzo korzystne z punktu widzenia możliwości sprzęgania DL z odbiornikami. Staranna optymalizacja własności falowodowych heterostruktury DBSCH doprowadziła do uzyskania θ rzędu 13...17º, co w dolnym zakresie wyznacza graniczne parametry dla DL krawędziowych [2,4]. Tak zaprojektowane heterostruktury DBSCH GaAsP/(AlGAs z naprężoną rozciągająco studnią kwantową GaAsP zostały wykonane w ITME techniką low-pressure- MOVPE. Obszary aktywne (paski) o szerokości W = 100 i 200 µm zostały zdefiniowane przez implantację jonów He + (E = 160 kev). Długość rezonatora L =1mm była wspólna dla wszystkich przyrządów. Lustra laserowe, po uformowaniu przez kontrolowany przełom, były pasywowane, a następnie pokryte warstwami dielektrycznymi o dużym (HR) i niskim (LR) współczynniku odbicia, odpowiednio dla tylnego i przedniego (wyjściowego) lustra. Diody laserowe z paskiem W = 100 µm zmontowane w obudowach Ø9 mm scharakteryzowane są na rys. 3a (charakterystyki mocowo-prądowe P-I-V) i na rys. 3b (charakterystyki spektralne). Osiągnięta moc optyczna 2,5 W CW przy wysterowaniu do 3 A czyni je porównywalnymi z najlepszymi osiągnięciami dla tych rozmiarów rezonatora. Duża moc emitowana (wysoki próg COD) jest skutkiem rozszerzenia rozkładu pola optycznego w falowodzie heterostruktury DBSCH. Osiągnięta sprawność energetyczna PCE = 0,44 powinna przekroczyć wartość 0,5 po zoptymalizowaniu pokryć HR/LR. Z przesunięcia charakterystyk spektralnych diod ze wzrostem prądu zasilania (przy stabilizacji temperatury podstawy, T = 18ºC), jak na rys. 3b, wynika rezystancja termiczna R TH w zakresie 14...17º/W, wskazująca na udany montaż, w tym zadowalające parametry obudowy Ø9. Widać też, że można w dostępnym praktycznie zakresie temperatur dostroić DL do długości fali pompowania optycznego DPSSL Nd:YAG (808 nm; szary wykres dla T = 16ºC na charakterystykach spektralnych). Montaż przyrządów tej mocy w obudowach Ø9 przekracza ich typowy zakres zastosowań. Standardowa zewnętrznie obudowa TDS35.1 wykonana w firmie Kazel wg projektu ITME mieści blok chłodzący, którego rozmiary zostały w miarę możliwości powiększone dla umożliwienia montażu DL o jak największej mocy (rys. 4). Dalszy wzrost mocy optycznej z indywidualnych DL (single emitter) uzyskano przez zastosowanie struktur diodowych o rozmiarach rezonatora L =1mm, W = 200 µm, z tej samej heterostruktury, zmontowanych w obudowach TO-3. Charakterystyki P-I-V i spektralne przykładowej diody przedstawione Rys. 4. DL o mocy emitowanej ok. 2 W CW w obudowie TD35.1 Fig. 4. 2 W CW-emitting LD in TD35.1 can Rys. 3. Charakterystyki P-I-V diody laserowej DBSCH w obudowie Ø9 mm, Znormalizowane charakterystyki spektralne w funkcji prądu sterującego DL w obudowie Ø9. Zmierzona R TH = 14,7 /W Fig. 3. P-I-V characteristics of DBSCH laser diode encapsulated in a Ø9 can, Drive current dependent normalized spectral characteristics of LD mounted in a Ø9 can. Measured R TH = 14.7 /W Rys. 5. Charakterystyki P-I-V diody laserowej DBSCH w obudowie TO-3, Znormalizowane charakterystyki spektralne w funkcji prądu sterującego DL w obudowie TO-3. Zmierzona R TH = 6,4 /W Fig. 5. P-I-V characteristics of DBSCH laser diode mounted in TO-3 case, Drive-current-dependent normalized spectral characteristics of LD mounted in TO-3 case. Measured R TH = 6.4 /W 110 ELEKTRONIKA 11/2008

są odpowiednio na rys. 5a i 5b. Uzyskano moce optyczne do 5 W CW przy prądzie diody 6 A. Z przesunięcia widma wynika R TH w zakresie 6 7º/W. W porównaniu z diodami z paskiem W = 100 µm (rys. 3) widać dokładne skalowanie rozmiarowe (dwukrotnie większe wysterowanie i moc optyczna, dwukrotnie mniejsza R TH, identyczna maksymalna PCE), którego należało oczekiwać przy zmianie wartości W i stałej wartości L. Nie ma problemów z odprowadzaniem ciepła przez obudowę TO-3 w tym zakresie mocy - układ łatwo można schłodzić poniżej 10ºC. Z rys. 5b wynika możliwość wyselekcjonowania przyrządów przydatnych do pompowania optycznego laserów Nd: YAG (λ = 808 nm) przy prądach zasilania 3 4 A, a takie powinny być warunki niezawodnej pracy, jeśli szacowany próg COD wynosi ok. 5 W. Możliwe jest też dostrojenie temperaturowe. Na rysunku 6. przedstawione są charakterystyki kierunkowe promieniowania DL o szerokości paska W = 200 µm w zakresie mocy optycznej 0,2 1,3 W (CW) zmierzone za pomocą kamery CCD - skorygowanej na niesferyczność sensora (rys. 6. Rozbieżność wiązki wynosi 16º i 5 9º, odpowiednio w płaszczyźnie prostopadłej do złącza ( ) i w płaszczyźnie złącza (II). Widać stałość profilu wiązki w płaszczyźnie w tym zakresie wysterowań (rys. 6 oraz niestałość (również czasową, niewidoczną na fotografiach) rozkładu promieniowania w płaszczyźnie II (rys. 6c). Jest to typowy obraz emisji lasera szerokopaskowego z charakterystycznymi włóknami w płaszczyźnie złącza. Pomiar dla większych mocy emisji był niemożliwy z powodu lokalnego przetapiania się filtrów założonych przed kamerą. Kolejnym krokiem w zwiększaniu mocy emitowanej przez DL jest ich integracja w jednej strukturze półprzewodnikowej. Powstają diodowe matryce laserowe (DML) liniowe, które z kolei, po złożeniu tworzą matryce dwuwymiarowe. Przykład małej, 8-emiterowej matrycy zmontowanej w odpowiednio zaadaptowanej obudowie TO-3 przedstawiony jest na rys. 7. Charakterystyki P-I-V i spektralne dla DML CW przedstawione są na rys. 8a i b. Przy maksymalnym wysterowaniu (I = 15 A, P = 12 W) na pojedynczy emiter (W = 0,1 mm) przypada I = 1,88 A, P = 1.5 W, zatem dość jeszcze daleko do limitu dla DL (rys. 3. Jednak warunki w matrycy są trudniejsze, co widać z charakterystyk spektralnych. Wartość R TH = 2,75º/W Rys. 7. DML CW w obudowie TO-3 (przed hermetyzacją) Fig. 7. CW-operating 8-emiter-array in TO-3 case (before encapsulation) c) Rys. 6. Charakterystyki kierunkowe DL o szerokości paska W = 200 µm w obudowie TO-3 Fig. 6. Directional characteristics of LD of 200 µm stripewidth mounted in TO-3 case Rys. 8. Charakterystyki P-I-V (CW) matrycy 8-emiterowej w obudowie TO-3, Znormalizowane charakterystyki spektralne (CW) w funkcji prądu dla DML w obudowie TO-3. R TH = 2,75 /W Fig. 8. P-I-V characteristics (CW) of 8-emitter array mounted in TO-3 case, Normalized spectral characteristics (CW) as a function of drive current of the array mounted in TO-3 case. R TH = 2.75 /W ELEKTRONIKA 11/2008 111

jest zadowalająca, jednak nie skaluje się ona w stosunku do R th pojedynczej DL (14º/W). Zatem temperatura emiterów w zespole jest wyższa, co potwierdza przesunięcie widm w kierunku długofalowym [przy jednakowej temperaturze podstawy 18ºC (rys. 3b i 8] tak, że teraz λ =808 nm jest nieosiągalna, nawet przy ochłodzeniu do 10ºC (szary wykres). Widać zatem, że w dalszych pracach, których celem powinno być podwyższenie mocy osiąganej z DML głównie poprzez zwiększenie gęstości upakowania emiterów (obecnie 0,2), problem sprawności odprowadzania ciepła stanie się jednym z najważniejszych. Praca wykonana została w ramach Projektu Zamawianego PBZ-MIN-009/T11/2003. Literatura [1] Librant Z., et al.: Optical and laser characterization of 2% Nd:YAG ceramics elements. Proc SPIE vol. 6998, Photonics Europe, Conference: Solid State Lasers and Amplifiers III, Jonathan A. Terry; Thomas Graf; Helena Jelínková, Editors, p. 69981A, 2008. [2] Knauer A. et al.: High-power 808 nm lasers with a super-large optical cavity. Semiconductor Sci. Technol., vol. 20, No.6 (2005), pp. 621-624. [3] Maląg A.: Beam divergence and COD issues in double barrier separate confinement heterostructure laser diodes. Bull. of the Polish Academy of Sciences, Techn. Sciences, 53, no.2 (2005), pp.167-173. [4] Malag A. et al.: High power low vertical beam divergence 800 nm-band double-barrier-sch GaAsP/(AlGAs laser diodes. IEEE PTL, 2006, 18, 15, pp.1582-1584. Niechłodzone i minimalnie chłodzone detektory średniej i dalekiej podczerwieni nowej generacji dr inż. ADAM PIOTROWSKI 1, dr inż. WALDEMAR GAWRON 1, mgr inż. KRZYSZTOF KŁOS 1, prof. dr hab. JAROSŁAW RUTKOWSKI 1, mgr inż. ZBIGNIEW ORMAN 1, mgr inż. JAROSŁAW PAWLUCZYK 1, mgr inż. DARIUSZ STANASZEK 1, dr inż. HENRYK MUCHA 1, prof. dr hab. inż. JÓZEF PIOTROWSKI 1, prof. dr hab. inż. ANTONI ROGALSKI 2 1 VIGO System S.A., Ożarów Mazowiecki, 2 Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Fizyki Technicznej, Warszawa Konieczność chłodzenia kriogenicznego jest główną przeszkodą na drodze do szerokich zastosowań techniki w zakresie średniej (3...8 µm) i dalekiej (8...16 µm) podczerwieni. Podstawową cechą nowej generacji fotodetektorów promieniowania podczerwonego pracujących w obu zakresach widmowych jest efektywna praca bez konieczności chłodzenia kriogenicznego. Polską specjalnością badawczą i przemysłową od około 20. lat są niechłodzone (lub minimalnie chłodzone) detektory Hg 1-x Cd x Te (HgCdTe) pracujące w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni [1-4]. Dotychczas opracowano kilkadziesiąt typów tych detektorów, w tym fotorezystorów, fotodiod i detektorów fotomagnetoelektrycznych pracujących bez chłodzenia lub z chłodzeniem termoelektrycznym chłodziarek jedno-, dwu-, trój- i czterostopniowych (najczęściej dwustopniowych). Jednakże dalszy postęp w technologii fotodetektorów podczerwieni z HgCdTe jest związany z zastosowaniem heterostruktur monolitycznie integrujących funkcje optyczne i fotoelektryczne przyrządu [5-12]. Struktury te do 2005 roku były wytwarzane metodą izotermicznej epitaksji z fazy gazowej lub ciekłej, w połączeniu z wieloma specyficznymi technologiami półprzewodnikowymi, w tym negatywną epitaksją, dyfuzją i interdyfuzją, litografią jonową, obróbkami termicznymi i chemicznymi i wieloma innymi procesami. Jednak już od dawna znane były istotne ograniczenia tych technologii: brak możliwości otrzymywania struktur wielowarstwowych, rozmyte obszary przejściowe, trudności w otrzymywaniu kontrolowanego domieszkowania zarówno na niskim, jak i wysokim poziomie, konieczność stosowania kosztownych i trudno dostępnych podłoży z CdZnTe. Heterostruktury Hg 1-x Cd x Te, niezbędne dla takich przyrządów, mogą być otrzymane jedynie za pomocą niskotemperaturowych technik epitaksjalnych. Epitaksja ze związków metaloorganicznych (Metalorganic Chemical Vapour Deposition - MOCVD) jest drugą technologią, obok epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), niskotemperaturowej epitaksji Hg 1-x Cd x Te [13]. Technika ta jest optymalną metodą wytwarzania struktur przydatnych dla niechłodzonych detektorów długofalowych, wymagających obszarów o różnych szerokościach przerwy energetycznej i bardzo różnym stopniu domieszkowania. Jest także optymalna dla elastycznej produkcji detektorów umożliwiając wysoki stopień integracji procesów wzrostu i processingu przyrządów. MOCVD umożliwia dokonywanie niezbędnych obróbek termicznych (interdyfuzja, aktywacja domieszek, anihilacja luk) in situ bez wyjmowania otrzymanych heterostruktur z reaktora, co jest ogromną zaletą szczególnie w procesach produkcyjnych detektorów. Epitaksja z wiązek metaloorganicznych Przedstawione przesłanki stały się podstawą decyzji o wyborze MOCVD, jako perspektywicznej metody dla produkcji polskich elementów optoelektronicznych z zakresu średniej i dalekiej podczerwieni. W marcu 2003 r. zostało uruchomione jedyne w Polsce laboratorium MOCVD, specjalizowane do otrzymywania CdTe, ZnTe i heterostruktur Hg 1-x Cd x Te, którego podstawą jest urządzenie AIX 200 II-VI produkcji firmy Aixtron. Specyfikacja reaktora MOCVD została opracowana na podstawie własnych doświadczeń. Producent nie przekazał technologii (know-how), ponieważ jest ona specyficzna dla konkretnych materiałów i wymaga własnego jej opracowania [14-19]. 112 ELEKTRONIKA 11/2008