Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования 13
1.1. Анализ требований, предъявляемых к лазерным излучателям на гетероструктурах с длиной волны 1550 нм 13
1.2. Анализ возможностей использования различных типов гетероструктур для создания лазерных излучателей с длиной волны излучения 1550 нм 14
1.3. Анализ путей повышения мощности излучения 23
1.4. Постановка задач исследования 32
2. Разработка технологии выращивания гетероструктур AlInGaAs/InP методом МОС-гидридной эпитаксии34
2.1. Разработка методики расчета параметров четырехкомпонентных гетероструктур 35
2.2. Разработка технологии выращивания четырехкомпонентных гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии 40
2.2.1. Используемое оборудование 40
2.2.2. Стандартная технология выращивания гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии 46
2.2.3. Разработка математической модели эпитаксиального выращивания гетероструктур в условиях сильного отклонения процесса от состояния равновесия 48
2.2.4. Разработка технологии выращивания четырехкомпонентных гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии 59
2.3. Экспериментальные исследования гетероструктур 62
2.3.1. Оборудование и методики проведения экспериментальных исследований 62
2.3.2. Исследования параметров гетероструктур, выращенных по разработанной технологии 67
Выводы 68
3. Разработка конструкции лазерного излучателя 70
3.1. Разработка конструкции мезополосковой структуры 70
3.2. Экспериментальное исследование параметров одиночных излучателей без зеркальных покрытий граней резонатора 75
3.2.1. Оборудование и методики исследований 75
3.2.2. Исследования ватт-амперных характеристик лазерных излучателей с активными элементами различной длины 77
3.2.3. Исследования спектральных характеристик лазерных излучателей с активными элементами различной длины 78
3.3. Расчет параметров резонатора излучателя 79
3.4. Разработка модели пространственного распространения излучения с различным количеством активных элементов 82
3.5. Разработка конструкции лазерного излучателя с несколькими активными элементами 95
3.6. Экспериментальные исследования лазерных излучателей разработанной конструкции 98
3.6.1. Оборудование и методики проведения исследований 98
3.6.2. Исследование ватт-амперных характеристик лазерных излучателей 102
3.6.3. Исследование спектральных характеристик лазерных излучателей с различным количеством активных элементов104
3.6.4. Исследования пространственной расходимости излучения разработанных лазерных излучателей 105
3.6.5. Ресурсные испытания разработанных лазерных излучателей 107
Выводы 112
Разработка технологии изготовления лазерного излучателя 114
4.1. Разработка технологии изготовления активных элементов 115
4.2. Разработка технологии сборки блока активных элементов 117
4.3. Разработка технологии корпусирования 118
4.4. Разработка модели развития напряжений в квантоворазмерной гетероструктуре 121
4.5. Разработка методики выведения дислокаций за границы активной области путем электротренировки 133
4.5.1. Оборудование и методика исследований 134
4.5.2. Исследование существующих методик тренировки 135
4.5.3. Методика электротренировки 140
4.6. Экспериментальные исследования лазерных излучателей произведенных по разработанной технологии 141
4.6.1. Результаты ресурсных испытания лазерных излучателей изготовленных по разработанной технологии 141
4.6.2. Сравнительные исследования лазерных излучателей 143
Выводы 144
Применение лазерных излучателей в волоконно-оптическихсистемах 146
5.1. Анализ причин потерь мощности при соединении лазерных излучателей с оптическим волокном 146
5.2. Экспериментальные исследования влияния оптического волокна на параметры лазерного излучателя 148
5.2.1. Оборудование и методики исследования 148
5.2.2. Результаты исследований влияния оптического волокна на параметры излучения лазерного излучателя 149
5.3. Разработка модели распространения излучения в комплексе «лазерный излучатель - оптическое волокно» 153
5.4. Анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований влияния оптического волокна на параметры лазерного излучателя 167
Выводы 168
Основные результаты и выводы по работе 169
Список литературы
- Анализ возможностей использования различных типов гетероструктур для создания лазерных излучателей с длиной волны излучения 1550 нм
- Стандартная технология выращивания гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии
- Экспериментальное исследование параметров одиночных излучателей без зеркальных покрытий граней резонатора
- Разработка технологии сборки блока активных элементов
Введение к работе
В настоящее время одной из актуальных научно-технических задач стала разработка источников лазерного излучения с длиной волны 1550 нм. Наиболее перспективными для получения гетероструктур (ГС) таких лазерных излучателей являются соединения А В [13, 37,47,49, 72].
В ряде задач практического применения помимо длины волны излучения необходимо обеспечение стыковки лазерных излучателей с оптическим волокном (ОВ). Поэтому важными параметрами излучения являются мощность излучения, диаграмма направленности, температурная стабильность характеристик, размер тела свечения.
Соответствие лазера этим требованиям определяется как составом используемой излучающей ГС, ее конструкцией, технологией выращивания, так и конструкцией самого излучателя, технологией его изготовления, отсутствием паразитных мод, близких по длине волны.
Параметры излучающих ГС обуславливаются их составом, методикой изготовления и толщиной слоев. Проблемы, возникающие при разработке и производстве новых типов ГС, исследовались Ж.И. Алферовым, П.Г. Елисеевым, X. Кейси, М. Панишем, Г. Кремером [2, 30, 42, 72, 95] и многими другими российскими и зарубежными учеными.
Повышение качества работы излучателей требует исследования и разработки приборов на новых системах элементов, позволяющих получить высокую мощность излучения и длину волны излучения 1550... 1560 нм в широком диапазоне температур.
Это связано со значительными трудностями: отсутствием комплексных методик разработки ГС с требуемыми параметрами и технологическим процессом (ТП) их изготовления; необходимостью совершенствования ТП производства лазерных излучателей; недостаточным количеством информации о влиянии внутренних дефектов ростовых напряжений и дислокаций на параметры разрабатываемых лазерных излучателей.
Одним из наиболее перспективных направлений эпитаксиального выращивания гетероструктур является МОС-гидридная эпитаксия. Однако, использование в данном случае неравновесного процесса эпитаксиального роста [8] для многокомпонентных ГС вызывает необходимость точного расчета их параметров и разработки индивидуальных технологических процессов выращивания, что связано с созданием специальных методик расчета и математических моделей процесса [30, 42].
Одним из путей значительного повышения мощности и улучшения характеристик излучения (спектра, расходимости, модового состава) является изменение конструкции мезоструктуры, геометрических размеров резонатора, параметров зеркальных покрытий.
Влияние на параметры лазерных излучателей оказывает также технология изготовления активных элементов (АЭ), основными этапами которой являются получение мезоструктуры, скалывание, напыление зеркальных покрытий.
Важным фактором, оказывающим влияние на параметры излучения лазерных излучателей, является взаимодействие с ОВ. Известно [37, 47, 49], что соединение с ОВ существенно снижает мощность излучения, а также меняет его спектральный и модовый состав.
Целью настоящей работы является исследование и создание нового типа многокомпонентных ГС, разработка на его основе конструкции и технологии изготовления лазерного излучателя повышенной мощности с длиной волны излучения 1550 нм, и исследование его характеристик при соединении с оптическим волокном.
Задачи исследования.
В соответствии с поставленной целью решался следующий комплекс задач:
1. Разработка методики расчета четырехкомпонентной гетероструктуры.
Исследование и разработка технологии выращивания гетероструктур с длиной волны излучения 1550 нм методом МОС-гидридной эпитаксии
Разработка конструкции и технологии изготовления лазерных излучателей повышенной мощности с длиной волны излучения 1550 нм.
Исследование параметров полученных лазерных излучателей и изменения их характеристик при соединении с оптическим волокном.
Методы исследования. Экспериментальные данные получены на универсальном и специально разработанном лабораторном оборудовании и обработаны с применением методов математической статистики.
Научная новизна работы
Впервые разработана универсальная методика расчета параметров четырехкомпонентных гетероструктур, содержащих компоненты с высокой степенью сегрегации.
Разработана модель расчета параметров парогазовой смеси в реакторе установки МОС-гидридной эпитаксии, с учетом неравновесности процесса. На основе данной модели предложена методика корректировки параметров подачи исходных компонент в реактор установки МОС-гидридной эпитаксии в зависимости от изменения температуры и концентрации парогазовой смеси, что обеспечило получение гетероструктур с требуемыми параметрами и высокую воспроизводимость технологического процесса.
Разработана модель распространения излучения для лазерных излучателей с одним и несколькими активными элементами, на базе которой была разработана конструкция лазерного излучателя с несколькими активными элементами.
Разработана модель развития напряжений и дислокаций в квантоворазмерных гетероструктурах, на основании которой предложена методика повышения мощности и долговечности лазерных излучателей путем выведения напряжений и дислокаций за границы активной области.
5. Впервые проведены исследования эффекта возникновения побочных мод излучения в лазерных излучателях, состыкованных с оптическим волокном.
Практическая значимость работы определяется прикладным характером проведенных исследований, направленных на разработку конструкции и технологии изготовления лазерных излучателей. Разработанные методики, программное обеспечение и технология внедрены в ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха». Их использование позволило значительно повысить качество выпускаемых лазерных излучателей. Характеристики полученных лазерных излучателей превосходят существующие в настоящее время аналоги.
Положения, выносимые на защиту;
Научно обоснованная методика расчета параметров твердых составов четырехкомпонентной системы.
Математическая модель эпитаксиального роста и разработанная на ее основе технология выращивания гетероструктур.
Математическая модель распространения излучения при наличии нескольких активных элементов, положенная в основу разработки конструкции и технологии изготовления лазерных излучателей повышенной мощности.
Математическая модель развития ростовых напряжений двухмерной гетероструктуры с квантоворазмерной активной областью, на базе которой разработана методика повышения мощности излучения и срока службы лазерных излучателей путем выведения напряжений и дислокаций за границы активной области.
Конструкция и технология изготовления лазерного излучателя с длиной волны излучения 1550 нм и мощностью 15 Вт.
Достоверность полученных результатов подтверждается: применением фундаментальных положений, справедливость которых доказана ранее и проверена практикой, неоднократно апробированных методик и математических моделей, а также сходимостью результатов экспериментальных исследований и математического моделирования; проведением исследований на моделях, которые достаточно полно и адекватно отражают совокупность факторов, влияющих на моделируемый процесс.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 5 Международном аэрокосмическом конгрессе, Москва, 2006 г.; 30, 31, 32 Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения», Москва, 2004, 2005, 2006 г.г.; Всероссийских научно-технических конференциях, Москва, 2004, 2006 г.г.; 11 European Workshop on MOVPE, г. Лозанна, 2005 г.; Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», Санкт-Петербург, 2004 г.; Московской молодёжной научно-технической конференции «Методы и средства измерительно-информационных технологий», Москва, 2004 г.
Публикации: Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 119 наименований. Материал изложен на 190 страницах иллюстрированных 75 рисунками, графиками и 20 таблицами.
Во введении кратко рассмотрены актуальность и практическая ценность работы. Сформулированы цель работы, задачи и методы исследований, научная новизна, результаты апробации и внедрения данной работы. Приведена структура диссертации и краткое содержание основных разделов.
В первой главе проведен анализ требований, предъявляемых к лазерным излучателям в зависимости от области применения. Путем анализа существующих систем компонент, позволяющих получить излучение на длине волны 1550 нм, доказано, что система компонент AlInGaAs/InP наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к ГС для лазерных излучателей с длиной волны 1550 нм. Проанализированы известные методы и определены пути повышения мощности лазерных излучателей.
Во второй главе создана методика расчетов параметров четырехкомпонентных соединений и проведен расчет излучающей ГС. Исследован процесс МОС-гидридной эпитаксии и влияние его характеристик на качество получаемых ГС. Разработана модель расчета входных параметров ТП с учетом динамики движения газа в реакторе, на основании которой создана научно обоснованная методика внесения температурных поправок при расчете входных параметров. Разработана технология эпитаксиального выращивания ГС содержащих компоненты с высокими коэффициентами сегрегации. Проведены исследования параметров выращенной ГС. Предложенные методики, модель и технология внедрены в производство.
В третьей главе с использованием результатов проведенных экспериментальных исследований выполнен расчет параметров мезополосковой структуры, резонатора и зеркальных покрытий излучающего элемента. Разработана математическая модель распространения излучения при наличии одного и нескольких излучающих элементов, положенная в основу разработки конструкции лазерного излучателя с несколькими АЭ. Экспериментальные исследования лазерных излучателей показали их соответствие предъявляемым требованиям. Предложенная конструкция внедрена в производство.
В четвертой главе на основании проведенного анализа проблем, возникающих при изготовлении лазерных излучателей с квантоворазмерными слоями, разработана оригинальная технология изготовления лазерных излучателей разработанной конструкции. Создана модель развития напряжений в квантоворазмерной ГС, которая позволила разработать методику выведения напряжений и дислокаций за границы активной области. Это позволило повысить мощность и увеличить срок службы лазерных излучателей, что было подтверждено экспериментальными исследованиями. Предложенные технология и методика внедрены в производство.
В пятой главе проведен анализ причин потерь мощности при взаимодействии лазерных излучателей с ОВ. Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования эффекта возбуждения паразитных мод, возникающего при использовании лазерных излучателей в комплексе с ОВ.
В заключении приведены основные результаты работы и выводы по ней.
Анализ возможностей использования различных типов гетероструктур для создания лазерных излучателей с длиной волны излучения 1550 нм
В настоящее время применяются несколько различных подходов, позволяющих решить проблемы, возникающие при создании лазерных излучателей на длину волны, близкую к 1550 нм, а именно: использование в качестве активной области системы компонентов GalnAsN с квантовой ямой (КЯ) GaAsN на подложке GaAs [85]. использование в качестве активной области системы компонентов GalnNAsSb с КЯ GaNAsSb на подложке GaAs [75]. система компонентов InGaAsP на подложке InP [22]. система компонентов InGaAlAs на подложке GaAs [40]
В работах [85, 91, 111] предложены излучатели на системе компонентов на GalnNAs, изготавливаемые на подложках GaAs, получены длины волн генерации близкие к 1500 мкм. Для системы элементов GalnAsN-GaAsN [85] была продемонстрирована генерация на длине волны 1420 нм, причем максимальная мощность при непрерывном режиме накачки составила Ртах=17 мВт (длина резонатора L = 600 мкм, ширина полоска W = 4 мкм). Одним из направлений получения лазерного излучения на длине волны 1550 нм является включение растягивающих напряженных барьеров GaNAs с каждой стороны КЯ GalnNAs [ПО, 115], что предполагает частичную компенсацию напряжений в яме, позволяет сделать яму более широкой, и приводит к сдвигу эмиссии в длинноволновую область. Барьеры GaNAs действуют также в качестве резервуаров азота, предотвращая сдвиг в голубую область спектра из-за диффузии азота из ямы при повышенных температурах.
Для системы материалов GalnNAsSb-GaNAsSb была получена длина волны излучения 1490 нм, максимальная мощность при этом составила Pmax = 140 МВТ (длина резонатора L = 2500мкм, ширина полоска W = 20мкм) [75]. В настоящее время, вследствие отсутствия научно-обоснованных подходов к разработке технологии таких излучателей невозможно получить ГС с повышенной мощностью излучения и длиной волны 1550 нм [57].
В качестве материала для изготовления мощных излучателей с длиной волны близкой к 1550 нм хорошо зарекомендовали себя квантоворазмерные эпитаксиальные ГС на основе InGaAsP/InP. В работе [61] теоретически показана возможность получения квантового выхода излучения /// близкого к 100 %. Сообщается о достижении выходной мощности в непрерывном режиме работы 2,5 Вт при токе накачки 10 А и температуре теплоотвода 10С для излучателей с широким контактом 100 мкм и длиной резонатора 2,6 мм [20]. Однако дальнейшее повышение мощности излучения данных ГС ограничено перегревом активной области, продемонстрированное в работе [22] (рис 1.1). Приведены исследования параметров ГС на основе InGaAsP на подложках InP и показана максимальная мощность излучения 6,5 Вт на длине волны генерации 1550 нм при токе накачки 20 А в импульсном режиме работы (длительность импульса 2 мкс) для ЛД с широким контактом 100 мкм и длиной резонатора 1,5 мм и температуре теплоотвода 10С. Как и в непрерывном режиме работы, максимальная выходная мощность ограничена сильной температурной зависимостью дифференциальной квантовой эффективности, из-за недостаточного электронного ограничения в активной области [89,119].
Для получения лазерного излучения с длиной волны 1550 нм перспективным является использование квантовых точек (КТ), полученных методом самоорганизации, в качестве активной области длинноволновых светоизлучаюших приборов в подложках GaAs, как показано на рис. 1.2. Генерация лазерного излучения из КТ [3, 73] возможна благодаря реализации массивов точек, удовлетворяющих жестким требованиям однородности по размерам и форме. КТ имеют почти дискретный энергетический спектр, и чем уже и изолированнее их спектральные линии, тем слабее температурная чувствительность. Это связано с тем, что при дискретном спектре не возникает теплового уширения полосы излучения, что ведет к стабильности коэффициента усиления. В случае КТ можно, значительно улучшить температурную стабильность излучателей [2, 100]. В работе [40] предложен подход, основанный на принципах метаморфного роста буферных слоев InGaAlAs на подложках GaAs [33, 99]. Метаморфный рост ранее использовался для получения лазерных излучателей на кремниевых подложках на основе КЯ [87, 118] и КТ [101]. При этом, однако, выходные мощности таких излучателей в непрерывном режиме были малы, и лазеры были подвержены быстрой деградации. Для локализации дислокаций несоответствия в нижнем буферном слое и создания низкой плотности дислокаций в вышележащих слоях авторы работы [40] использовали специальную методику уменьшения концентрации дефектов, предложенную в работе [98]. Лазерные излучатели с широким полоском, содержащие в качестве активной области 10 слоев InAs-InGaAs КТ, продемонстрировали генерацию в диапазоне длин волн 1480 - 1520 нм, пороговую плотность тока порядка 1 - 1,5 кА»см" и внешнюю дифференциальную квантовую эффективность (ДКЭ) 52%. Полная оптическая мощность излучения при импульсном режиме накачки превышала 7 Вт (при W=100 мкм) [52, 98].
Стандартная технология выращивания гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии
Схема используемого в настоящее время ТП выращивания ГС методом МОС-гидридной эпитаксии представлена на рис. 2.3.
Анализ схемы показывает, что использование данной технологии приводит к значительному времени проектирования и материальным затратам на выращивание пробных ГС.
Концентрация газовых потоков, подаваемых в реактор установки МОС-гидридной эпитаксии, определяется в единицах парциального давления, рассчитываемого по закону идеального газа: Р — = const, Т где P = YjPi - сумма парциальных давлений всех компонент.
В настоящее время экспериментальный расчет составов и парциальных давлений газов проводится с помощью феноменологического анализа [92].
Парогазовая смесь в реакторе представляется в виде системы бинарных компонент (эффективных потоков) [79, 92] имеющих различную температуру на границах. Если температура различна на границе, то различная эффективная температура приводит к возрастанию неравновесности потока и, следовательно, к неравномерному росту кристалла.
Недостатком такой смеси является малая теплопроводность, обуславливающая неравномерный прогрев в зоне роста, а также невысокие коэффициенты взаимодиффузии ростообразующих компонентов парогазовой смеси. Это приводит к неравномерности эффективных температур бинарных компонентов (Приложение 1).
Из-за малых коэффициентов взаимодиффузии эффективная температура смеси может быть неоднородна. Это приводит к подходу различных потоков компонент к растущей плоскости с различной скоростью, и, следовательно, к нарушениям кристаллической структуры в процессе эпитаксиального роста.
Для расчета параметров подачи исходных компонент в реактор установки МОС-гидридной эпитаксии (температура, концентрация) используются математические модели роста, основанные на равновесном представлении о процессе. Это приводит к значительному отклонению параметров получаемых ГС от требуемых и получению большого количества бракованных ГС. Невозможность контроля параметров ГС в процессе проектирования и использование моделей, неадекватных проходящим процессам приводит к получению большого процента бракованных ГС.
Таким образом, необходимо разработать ТП выращивания ГС на базе математической модели процесса, учитывающей отклонение условий эпитаксиального выращивания от состояния равновесия. В задачу моделирования входит нахождение температуры, при которой в основной области потока, вблизи от оси, эффективные температуры основных компонент газовой смеси были бы равномерны.
Для построения модели роста ГС, отражающей изменение состава переходного слоя необходимо формализовать процесс прохождения потока в реакторе установки МОС-гидридной эпитаксии (рис. 2.4). Подложка
Процесс моделирования выращивания ГС методом МОС-гидридной эпитаксии состоит из двух этапов: 1. Построение диаграмм состояния исходных компонент. 2. Расчет изменения концентраций газового потока в реакторе установки при эпитаксиальном росте структуры AlInGaAs/InP.
Для построения диаграмм состояния исходных компонент в концентрационном сечении С(х, у) было использовано уравнение непрерывности (массопереноса). Анализ температурных режимов (энергии Гиббса), приведенных в Приложении 2, позволяет предположить, что преобразование фаз происходит последовательно (паровая фаза переходит в жидкую, жидкая - в твердую), следовательно, уравнение тепломассопереноса можно решать в следующих приближениях: задача является двумерной, поскольку реактор обладает симметрией первого порядка [56]; диффузионные потоки в реакторе разделяемы; выполнение закона локального равновесия фаз на границе раздела.
Экспериментальное исследование параметров одиночных излучателей без зеркальных покрытий граней резонатора
Измерения проводились в соответствие с ГОСТ Р 51106-97 при нормальных климатических условиях и при импульсном режиме накачки. 1. Оборудование и методика измерения ВтАХ. Схема установки измерения мощности излучения в импульсном режиме приведена на рис. 3.4.
Принципиальная схема установки измерения мощности излучения в импульсном режиме. ЛИ - лазерный излучатель, ФД - измерительный фотодиод, ОС -осциллограф, ІІфд - источник смещения измерительного фотодиода, R -измерительное сопротивление, тА- миллиамперметр. Величина тока накачки I контролируется по величине напряжения на измерительном сопротивлении R. На излучатель подается положительное смещение, и производится автоматическая обработка величин V(I) и /—. dl Контроль амплитуды, частоты следования F и длительности г импульсов тока накачки проводят по сигналу, регистрируемому на измерительном сопротивлении R, последовательно включенном с измеряемым излучателем. Средняя мощность импульса излучения определяется как: p - PD """ S{X)FT где IPD - ток фотодиода; S(A) - функция чувствительности фотодиода от длины волны излучения. Снимаются значения мощности излучения при токе накачки от 0 до 20 А с шагом 2-=-4 А. По результатам измерений строится ВтАХ. 2. Оборудование и методика исследования спектральных характеристик излучения.
Для исследования спектральных характеристик лазерных излучателей используется установка, схема которой представлена на рис. 3.5.
Принципиальная схема установки измерения длины волны излучения лазерных излучателей.
1 - вольтметр В7-38,2 - конденсор, 3 - фотоэлектронный умножитель ФЭУ-1004, ЭВМ "Электроника", 5 - принтер, ЛИ - исследуемый излучатель, МДР-23 - монохроматор, ППИ-4 - пульт проверки параметров излучателей.
Измеряемый излучатель устанавливается в радиатор площадью не менее 50 см2. Длина волны лазерного излучения определяется путем записи спектра с помощью монохроматора МДР-23, выходной сигнал которого регистрируется с помощью ЭВМ. Для приема излучения используется фотоэлектронный умножитель «Coherent» со спектральным диапазоном 250-10600 нм.
Ток накачки излучателя определяется по величине падения напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно в цепи лазерного излучателя в пульте проверки излучателей ППИ-4. Величина измерительного сопротивления R = 1 Ом.
Исследуется спектр излучения при токе накачки 20 А.
Исследовались излучатели с длиной резонатора L=600 мкм, L=800 мкм, L=1000 мкм без зеркальных покрытий граней резонатора в импульсном режиме работы с длительностью импульса питающего напряжения 100 нс, частотой 10 кГц. Общее количество исследованных приборов - 15 шт. Результаты измерений, обработанные с применением методов математической статистики, представлены в табл. 3.1.
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что наибольшую мощность имеют излучатели с длиной резонатора 1000 мкм. Максимальная мощность излучения составляет 10 Вт при токе накачки 20 А. Повышение мощности возможно путем подбора параметров зеркальных покрытий граней. Проводились исследования спектров излучения лазерных излучателей с длиной АЭ L=600 мкм, L=800 мкм, L= 1000 мкм. Общее число исследованных излучателей 15 шт. Результаты исследований, обработаные с применением методов математической статистики (табл. 3.2.).
На основании полученных результатов была построена зависимость значения длины волны излучения от длины АЭ лазерного излучателя (рис. 3.7). Анализ результатов исследований спектров излучения показал, что получение длины волны наиболее близкой к 1550 нм возможно при длине АЭ L=1000 мкм.
Таким образом, можно констатировать, что в наибольшей степени требованиям по мощности и длине волны отвечают лазерные излучатели с длиной АЭ 1000 мкм.
На основании экспериментальных исследований возможно рассчитать коэффициенты отражения зеркальных граней.
Для обеспечения работы лазерного излучателя необходимо провести расчет параметров резонатора с учетом особенностей используемой ГС.
Длина резонатора L подбирается экспериментально с учетом увеличения максимальной мощности излучения Ртах при увеличении длины резонатора. На основании результатов экспериментальных исследований, приведенных в разделе 3.2, была выбрана длина резонатора L=1000 мкм.
Зеркальные поверхности граней резонатора формируются путем скалывания структуры по кристаллическим плоскостям, при этом коэффициенты отражения граней резонатора составляют 32 %.
Изменение коэффициента отражения зеркальных граней резонатора способствует увеличению КПД и, соответственно, получению большей мощности излучения. Таким образом, необходимо сформировать просветляющее и высокоотражающее покрытия на передней и задней гранях резонатора соответственно.
Значения коэффициентов отражения зеркальных покрытий граней резонатора для получения требуемых параметров излучения можно рассчитать исходя из параметров лазера [27,42]
Известно, что увеличение количества АЭ является эффективным способом повышения выходной мощности лазерных излучателей. Однако для получения равномерного распространения излучения по ОВ необходимо, чтобы сложение излучения АЭ производилось на расстоянии порядка длины волны. Возникающие в противном случае значительные дифракционные потери приводят к потере мощности, а, следовательно, и потерям информации в ОВ.
Экспериментальный подбор толщин активных областей и расстояний между ними невозможен в силу их малых размеров. Единственный способ контроля данных толщин - дифракционный метод [65], однако в данном случае он не обеспечивает должной точности. Результаты расчета толщин, получаемых при моделировании распространения излучения, позволяют получить гораздо более точные параметры.
Разработка технологии сборки блока активных элементов
Для обеспечения возможности промышленного применения лазерных излучателей, конструктивное решение которых обосновано в Главе 3, необходимо разработать технологию их изготовления, обеспечивающую высокий выход годных. Схема стандартного ТП представлена на рис. 4.1.
Изготовление АЭ
Исходя из анализа представленной схемы и разработанной конструкции лазерного излучателя и результатов экспериментальных исследований, приведенных в разделе 3.6, можно сделать вывод о необходимости: модернизации существующего ТП изготовления АЭ; разработки ТП сборки блока АЭ; разработки ТП корпусирования приборов; исследования возможности улучшения параметров лазерных излучателей путем электротренировки.
В процессе разработки технологии изготовления был исследован стандартный ТП и разработаны операции, необходимые для производства АЭ, соответствующих конструктивным требованиям, приведенным в Главе 3.
Для сцепления АЭ при их сборке в блок и прохождения тока инжекции к нижним элементам в блоке была разработана операция напыления слоя AgSn нар-контакт АЭ.
Модернизирована операция утонения кристаллической пластины, поскольку, как показано в Главе 3, толщина АЭ должна удовлетворять условию обеспечения отсутствия дифракции в ОВ при использовании блока АЭ (толщина пластины не более 100 мкм).
На основе результатов расчетов, приведенных в Главе 3, разработана технология напыления зеркальных покрытий граней АЭ, обеспечивающая заданные конструктивные параметры. Коэффициенты отражения R\ 3 % для передней грани и R2 100 % для задней грани. Покрытие состоит из чередующихся слоев с низкими и высокими показателями преломления (п) материалов. Для минимизации геометрической толщины зеркала наилучшим образом этому требованию соответствует пара слоев диоксида кремния S1O2 и аморфного кремния Si. С целью снижения возможного поглощения в покрытии, оптическая толщина слоев Si выбиралась равной -1/3 от оптической толщины слоев SiC 2 на длине волны излучения 1538 нм (обусловлено длиной волны люминесценции ГС). Напыление четырех пар чередующихся слоев Si02 {п = 1,47) и Si (п = 3,5) позволяет добиться коэффициента отражения задней грани резонатора АЭ R.2=100 % в широком диапазоне длин волн, включая 1550 нм. Для получения просветляющего покрытия (R=3 %), используются Si3N4 и SiC.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в Главе 3, позволил рекомендовать использование нескольких АЭ для повышения мощности излучения. Однако при этом требуется разработать ТП изготовления блока АЭ
Сборка блока АЭ состоит из следующих этапов:
1. Подготовка термокомпенсатора. Полоски из сплава CuW с напылением MoNiAu, AgSn рубятся на гильотине на куски шириной 1,5 и длиной 2 мм.
2. Сборка блока АЭ в приспособлении. Готовый термокомпенсатор позиционируется в приспособление em М2.220.014-01 (рис. 4.3), слоем AgSn вверх. На него помещаются 2 АЭ с напыленным вверху слоем AgSn, а внизу - слоем Аи и GaAs-чип. Сверху опускаются толкатель и груз весом 5-5-7 грамм.
3. Сплавление блока АЭ. Приспособление с блоком АЭ помещается в водородную печь. При достижении температуры водородной среды 270-5-280 С АЭ соединяются за счет расплавления слоя AgSn и его взаимодействия со слоем TiPtAu. После охлаждения на воздухе груз снимается.
4. Контроль блока АЭ. Под микроскопом проводится визуальный контроль на отсутствие сдвига резонаторов друг относительно друга, выплесков металла, щелей между АЭ и термокомпенсатором.
