Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

ciepła oraz chroni laser przed uszkodzeniami mechanicznymiw trakcie wykonywania połączeń drutowych. Grubość tejwarstwy jest jednym z wrażliwszych parametrów konstrukcyjnych,większe ilości złota zmniejszają temperaturę w samymlaserze, jednak tylko do pewnego momentu. Po przekroczeniuokreślonej grubości (zwykle kilkunastu mikrometrów) temperaturaw laserze zaczyna ponownie rosnąć.Znacznie lepsze właściwości cieplne ma konstrukcja z zagrzebanąheterostrukturą (w skrócie oznaczana jako BH).W konstrukcji tej nie występuje warstwa izolacyjna w postaciazotków lub tlenków (rys. 19). W jej miejsce umieszcza sięizolujący elektrycznie materiał o wysokiej przewodności cieplnej.W ten sposób ciepło odprowadzane jest z lasera równieżrównolegle do warstw, zaś z faktu, iż jest to warstwaizolacyjna elektrycznie, wynika pożądany rozkład gęstościprądu w laserze.Podstawowa struktura warstw tego lasera jest wykonywanadwustopniowo, metodami MBE/MOVPE, podobnie jakw poprzedniej konstrukcji. Sama warstwa izolująca to najczęściejdomieszkowany żelazem InP wytwarzany metodąMOCVD. To rozwiązanie zdecydowanie poprawia bilanscieplny w laserze, jednak jest ono również znacznie bardziejskomplikowane ze względu na wykorzystanie dwóch metodepitaksjalnych. W 2002 r. zrealizowano pierwszy laser kaskadowyCW pracujący w temperaturach pokojowych [64], wykonanyopisaną wcześniej metodą.Trzecim typem jest konstrukcja z podwójnym kanałem DC(Double Channel). Ma ona cechy dwóch poprzednich rozwiązań.Wykonuje się ją podobnie do RW, jednak warstwypółprzewodnikowe tworzą znacznie szerszą strukturę, w którejchemicznie wytrawia się kanały, określające szerokośćwłaściwego ridgea (grzbietu). Ścianki powstałych kanałów pokrywasię warstwą tlenku lub azotku zaś resztę wypełnia sięnp. złotem lub indem. Dzięki obecności takich kanałów, ciepłoodprowadzane jest również równolegle do warstw, przez conagrzewanie się lasera jest znacznie ograniczone.Przykładową strukturę DC przedstawiono na rys. 20. W porównaniudo BH, konstrukcja ta jest znacznie mniej skomplikowanatechnologicznie (wytwarzana jest w jednymreaktorze). Powyższe cechy sprawiają, że jest ona najczęściejspotykaną wśród laserów kaskadowych na GaAs.Sama struktura może być zamontowana na dwa sposoby.Pierwszym rodzajem montażu jest epi-up, czyli warstwy epitaksjalneznajdują się na podłożu, które leży na chłodnicy.W tym przypadku ciepło wydzielane we wnętrzu lasera w obszarzeczynnym ma do przejścia bardzo długą drogę, aby dostaćsię do chłodnicy, przez co właściwości cieplne całejkonstrukcji nie są zbyt dobre. Ten sposób montażu jest możliwydla wszystkich trzech konstrukcji laserów kaskadowych, jestrównież najprostszym zamontowaniem lasera. Drugim rodzajemmontażu jest epi-down, czyli przypadek, w którym warstwyepitaksjalne leżą na chłodnicy. Ciepło tutaj nie musi przechodzićprzez cała strukturę oraz podłoże, przez co jego odprowadzaniejest znacznie skuteczniejsze. Wyższość drugiegosposobu montowania nad pierwszym potwierdza bardzo wieleprac doświadczalnych. Ze względu na trudniejsze wytwarzanietakich laserów, są one jednak rzadziej spotykane.Aktualne możliwości i parametry laserówkaskadowychRys. 19. Schemat struktury lasera typu Buried HeterostructureFig. 19. Buried Heterostructure laserRys. 20. Schemat struktury lasera typu Double ChannelFig. 20. Double Channel laserOd czasu pierwszego lasera z 1994 r. wykonanego na InP [4]oraz lasera na GaAs z 1998 r. [55] rozwój tej grupy urządzeńposzedł daleko naprzód. Wykorzystanie heterostruktury(Al)GaAs, materiału najbardziej rozpowszechnionego (opróczkrzemu) i najlepiej poznanego, umożliwiło częściową komercjalizacjęlaserów QCL. Po kilku latach badań zdano sobiesprawę, że w zakresie średniej podczerwieni lasery wykonanena GaAs będą miały duże problemy w osiągnięciu podobnychwyników co lasery QCL wytwarzane na podłożu InP. Jednymz atutów laserów na InP jest to, że fosforek indu może byćużyty jako materiał claddingowy. Ma on niski współczynnikzałamania oraz dobre właściwości elektryczne. Dzięki temuInP zapewnia dobre ograniczenie optyczne bez koniecznościsilnego domieszkowania, co zmniejsza znacznie stratyoptyczne spowodowane absorpcją na swobodnych nośnikach.Współczynnik ograniczenia optycznego, zdefiniowanyjako stosunek wzmocnienia modowego do wzmocnienia materiałowego,wynosi 28 i 40%, odpowiednio dla GaAs i InP[56]. InP ma jeszcze przewagę we własnościach cieplnych.Przewodność cieplna tego materiału wynosi 68 W/mK i jestnawet ok. 10 razy wyższa niż związków potrójnych lub poczwórnych,często stosowanych w falowodach laserów naGaAs, InAs i GaSb. Obecnie większość wyników, któreświadczą o możliwościach praktycznego wykorzystania laserówQCL, dotyczy laserów na InP.Lasery emitujące w zakresie dalekiej podczerwieni zostaływykonane jedynie na podłożach GaAs. Było to możliwe zewzględu na bardzo rozwinięte technologicznie metody wytwarzaniatego materiału oraz jego właściwości fizyczne.Główną zaletą GaAs jest posiadanie względnie dużej masy40 ELEKTRONIKA 5/2009