Высокоэффективные высокомощные диодные лазеры нового типа В.А.Геловани, А.П.Скороходов, В.И.Швейкин
advertisement
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт системного анализа В.А.Геловани, А.П.Скороходов, В.И.Швейкин Высокоэффективные высокомощные диодные лазеры нового типа Москва 2005 Представлен новый тип широкоапертурного высокоэффективного и высокомощного полупроводникового лазера с вовлечённым в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области. Описан принцип его работы. Впервые реализованы одномодовые полупроводниковые лазеры с близкой к квадратной формой 5х6мкм2, выходной апертуры на оптической грани с размерами 7х7,5мкм2 и 10х10 мкм2 и дифракционными углами расходимости излучения: в вертикальной плоскости от 6,90 до 120 и в горизонтальной – от 3,30 до 7,80. Для длины волны 980 нм получена мощность излучения 0,5 Вт в непрерывном одномодовом и одночастотном режимах с дифракционными углами расходимости в горизонтальной и вертикальной плоскостях, соответственно, 5,70 и 12,30. В многомодовом режиме при ширине полоска 10мкм и 50 мкм получены, соответственно, мощности излучения 1,3 Вт и 3,0 Вт с малыми углами расходимости. Приведен обзор развития рынка диодных лазеров различного типа за период 1996-2004 годы и прогноз на 2005 год. Представлен анализ актуальных и перспективных направлений разработок и использования диодных лазеров нового типа. 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………………………………. 5 Глава 1. Различные концепции лазерных гетероструктур……………………………..11 1.1. Основа высокомощных полупроводниковых лазеров………………………………….11 1.2. Недостатки при достижении высокой мощности……………………………………….11 1.3. Расширенные мощные лазеры………………………………………………………… 13 1.3.1. Лазеры с расширенным резонатором……………………………………………. 13 1.3.2. Сложные волноводные лазеры…………………………………………………..14 1.3.3. Лазер с вытекающим волноводом………………………………………………..15 1.3.4. Высокомощные лазеры фотонакачки с вертикальным выводом………………19 1.3.5. Высокомощные VCSELs с вводом тока………………………………………… 20 1.3.6. Высокомощные VCSEL каскады с небольшой выходной апертурой…………………………………………………………………………22 Глава 2. Проведение теоретических исследований диодных лазеров с односторонним вытеканием………………………………24 2.1. Анализ светоизлучающего диода на основе гетероструктур с «вытеканием»……………………………………………………………………………24 2.2. Основные соотношения для расчета Ватт-Амперной характеристики СИД……………………………………………………………………..27 2.3. Численный расчет и обсуждение результатов…………………………………………..31 2.4. Расчет характеристик гетероструктур для диодных лазеров с вытекающим излучением…………………………………………………….35 2.5. Расчёт характеристик диодных лазеров с односторонним вытеканием излучения для асимметричной гетероструктуры………………………………………. 38 .2.6. Исследование зависимостей начальной плотности тока через диодный лазер, при которой возникает вытекающее излучение, от составов и толщин слоёв гетероструктуры………………………………………….42 2.7. Исследование в широком диапазоне плотностей токов зависимостей углов расходимости выходного лазерного излучения от составов и толщин слоёв гетероструктуры………………………………………………………..43 2.8. Оптимизация асимметричной лазерной гетероструктуры с односторонним вытеканием……………………………………………………………… 45 3 Глава 3. Новые полупроводниковые лазеры с вовлечённым в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области………………………………………………………………..47 3.1. Принцип работы ДЛ-ВИОР………………………………………………………………48 3.2. Экспериментальное изготовление ДЛ-ВИОР…………………………………………..51 Глава 4. Обзор и прогноз рынка диодных лазеров………………………………………61 4.1. Системы оптической памяти……………………………………………………………..64 4.2.Телекоммуникации………………………………………………………………………… 67 4.3. Системы накачки для твердотельных лазеров…………………………………………68 4.4. Медицина………………………………………………………………………………….70 4.5. Полиграфия/ графическое искусство……………………………………………………70 4.6. Шоу бизнес и дисплеи / инспекционная и контрольно-измерительная аппаратура /считывание штрих-кодов…………………………………………………..72 4.7. Другие применения………………………………………………………………………72 Глава 5. Перспективные прикладные разработки в области диодных лазеров………………………………………………………………….74 Глава 6. Актуальные и перспективные направления разработок и использования диодных лазеров нового типа………………………………………….81 6.1. Одномодовые лазеры с повышенной мощностью излучения и улучшенными характеристиками………………………………………..82 6.2. Многомодовые лазеры и линейки непрерывного и импульсного режимов излучения……………………………………………………….82 6.3. Диодные лазеры с улучшенными характеристиками для накачки твердотельных лазеров……………………………………………………85 6.4. Диодные лазеры для накачки волоконно-оптических усилителей……………………87 6.5. Диодные лазеры для накачки волоконных лазеров……………………………………88 6.6. Некоторые применения маломощных лазеров…………………………………………91 Заключение……………………………………………………………………………………92 4 Введение Полупроводниковые излучатели, к которым относятся диодные лазеры, полупроводниковые оптические усилители, спонтанные излучатели (светодиоды) и суперлюминесцентные излучатели, широко применяются в различных современных технологиях, таких как: волоконные и оптические линии связи в телекоммуникациях, высокомощные применения, и эффективные твердотельные высокопроизводительное технологическое оборудование в и волоконные копировальное электронном и лазеры печатное производстве, широкого оборудование, технологическое оборудование по обработке материалов, лазерное хирургическое и терапевтическое оборудование, в военной технике (например, приборы наведения, неконтактные датчики цели) и др. Общий объем продаж только диодных лазеров постоянно рос в 1995-1999 годах и в 2000 году составил 6,59 млрд. долларов. Основной объем продаж при этом приходился на рынок телекоммуникаций, он составил в 2000 году примерно 5 млрд. долларов. В последующие два года наблюдался спад объемов продаж полупроводниковых излучателей, однако, начиная с 2002 года, снова начинается резкий рост, который по всем имеющимся прогнозам сохранится на длительную перспективу. После блистательной 40-летней истории своего развития для используемых в настоящее время полупроводниковых излучателей выявились пределы (ограничения) их технических параметров, в первую очередь, энергетических. Так дальнейшему развитию, расширению и освоению новых областей применения диодных лазеров препятствует высокая плотность лазерного излучения на выходном зеркале, обусловленная малыми размерами толщины активной области излучения (тела свечения), что существенно ограничивает столь желаемую выходную мощность. Полупроводниковые оптические усилители кроме указанного выше недостатка малого размера тела свечения – имеют малый размер апертуры для входного излучения, что определяет большие потери излучения на входе (до 75% и более) и значительные технологические усложнения при вводе излучения в активную область усиления. Кроме того, они имеют очень высокую чувствительность к оптическим отражённым сигналам, что 5 приводит к нестабильности, ненадёжности их работы и невозможности получения высокой мощности усиленного излучения при его высоком качестве. Суперлюминесцентные излучатели и светодиоды имеют значительно более низкую величину эффективности (1..5%) по сравнению с полупроводниковыми лазерами и оптическими усилителями (может достигать 50%), а мощности излучения составляют доли и единицы милиВатт для светодиодов и единицы и десятки единиц милиВатт для суперлюминесцентных излучателей. В последние годы за счёт успешных технологических исследований фосфидных и нитридных соединений и гетероструктур, созданы сверхяркие светодиоды в красной и сине-зелёной области спектра. Это несомненно крупное достижение, которое является предпосылкой к решению актуальной проблемы по созданию диодных осветительных ламп белого освещения. Однако для решения этой проблемы необходимо увеличить по крайней мере эффективность некогерентных излучателей в несколько раз, а мощность излучения увеличить на один-два и более порядков. Оставаясь в рамках традиционных подходов к усовершенствованию полупроводниковых излучателей, трудно рассчитывать на существенное улучшение их важнейших энергетических характеристик - эффективности и мощности излучения. Нами предложен совершенно новый путь развития полупроводниковых излучателей, который позволяет получить качественно новый скачок в их наиболее существенных параметрах: мощность, эффективность, угол расходимости и т.д. Предлагаются такие конструкции полупроводниковых излучателей, в гетероструктурах которых вывод излучения осуществляется через одну (в некоторых редких случаях – через две) поверхности активного слоя в виде вытекающего излучения. Особенностью вытекающего излучения является то, что оно вытекает в область выхода из всей поверхности ограничительного слоя и что это излучение имеет малый угол расходимости (примерно 1..20) в вертикальной плоскости. Таким образом, качество вытекающего излучения и возможность вывести его из активного слоя с высокой эффективностью значительно выше, чем для используемого в современных конструкциях излучателей поверхностно-ненаправленного и торцевого излучений. Реализация предложенных нами конструкций излучателей с вытекающим излучением устраняет указанные выше технические пределы их параметров и позволяет создать новое поколение полупроводниковых излучателей со значительно более высокими энергетическими и пространственно-спектральными характеристиками. 6 Данное изобретение защищено рядом российских и международных патентов, в частности, следующими российскими патентам : РФ2142665 – Инжекционный лазер, 1998г., РФ2134007 – Полупроводниковый оптический усилитель, 1998г., РФ2142661 – Инжекционный некогерентный излучатель, 1998г., РФ2197047 – Полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель, 2003г., РФ2197048 – Инжекционный лазер, 2003г., РФ2197049 – Гетероструктура, 2003г. Для проведения исследований и разработок по излучателям с вытекающим излучением была создана Корпорация D-LED, зарегистрированная в октябре 1999 года в штате Делавер. В ноябре 2000 года по рекомендации экспертов Компании Strategies Unlimited перед нашей научно-исследовательской группой была поставлена задача создания излучателя с мощностью излучения 1 Вт и длиной волны 980 нм в одномодовом волокне. Такую задачу тогда не ставила перед собой ни одна из крупнейших компанийпроизводителей мира. Этот прибор стал первым, на примере которого подтвердился на практике изложенный в патентах принцип вытекания. В марте 2001 года были изготовлены образцы излучателей с вытеканием, отвечающие условиям поставленной задачи, и переданы на тестирование в независимую организацию – Берлинский Технический Университет. Вывод, сделанный Берлинским ТУ, содержащийся в представленном ими отчете, однозначен: подход, основанный на использовании вытекающего излучения, ясно продемонстрировал его преимущество по сравнению со стандартными коммерческими технологиями. Большим коммерческим достоинством лазеров с вытекающим излучением является то, что технологический маршрут и технологические процессы их изготовления практически совпадают с существующими технологиями для торцевых лазеров (за исключением составов и толщин слоев гетероструктуры), т.е. не требуют нового оборудования и новых инженерных навыков. На основе предлагаемых принципов может быть разработано большое количество конструкций новых приборов. Диодные лазеры с вытекающим излучением создадут новые области применения и вытеснят существующие в настоящее время диодные лазеры из тех областей 7 применения, где необходимы высокомощные, высоконадежные диодные лазеры, обладающие при этом высокой направленностью излучения. Для ряда применений является важным возможность эффективно и с малыми затратами ввести излучение в одномодовое волокно (а еще лучше – ввести напрямую, без оптических согласующих элементов). Ниже указаны лишь некоторые из применений диодных лазеров с вытекающим излучением: - Новое поколение волоконно-оптических усилителей для оптоволоконных сетей с большой скоростью передачи информации, для линий передач кабельного телевидения с большим числом распределенных узлов и др.; - Высокомощные и эффективные твердотельные лазеры различного назначения; - Рамановские волоконные лазеры высокой и средней мощности различного назначения; - Проекционное бытовое телевидение и видео техника; - Лазерные передающие модули для волоконно-оптических линий связи и передачи информации. Кроме того, предлагаемые полупроводниковые лазеры найдут широкое применение в медицинском оборудовании, при обработке материалов (очистка, пайка, сварка), в сверхскоростных лазерных принтерах и др. В рассматриваемом подходе предложена также новая конструкция поверхностноизлучающего лазера, являющегося, на наш взгляд, одним из самых перспективных продуктов. Сегодня лазерные диоды используются чаще всего как дискретный элемент. Однако большое поле для использования в области оптоволоконных сетей и в качестве оптических межсоединений открывается при переходе от дискретного лазерного диода к управляемой матрице (линейке) диодов. В этом случае необходимо, чтобы генерируемое от лазерного диода излучение было направлено по нормали к поверхности активного слоя. Это дает возможность не только изготовить в едином технологическом цикле разом большое количество лазерных диодов, но и провести измерения каждого диода, не раскалывая пластины на элементы. При этом обеспечивается высокая плотность лазерных диодов на пластине и низкая стоимость в расчете на один диод. Известный в настоящее время поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором VCSEL в принципе отвечает этим требованиям. В последнее десятилетие проведены успешные интенсивные исследования по совершенствованию и доведению VCSEL на длину волны 850нм до коммерческого продукта. Однако конструкция 8 современного VCSEL имеет ряд принципиальных технических барьеров при его изготовлении (в частности, малая длина области активного усиления, совпадение плоскостей отражателей оптического резонатора с плоскостями протекания тока, очень высокие требования к величине коэффициентов отражения для отражателей). В предложенной новой конструкции поверхностно-излучающего лазера с вытекающим излучением указанные выше проблемы отсутствуют. При этом нами рассмотрен технологический маршрут изготовления матрицы таких лазерных диодов. Он достаточно прост, экономичен и отвечает требованиям промышленного изготовления управляемых матриц диодов. Полупроводниковые оптические усилители с вытекающим излучением, в которых усиленным сигналом является только вытекающее излучение из активной области, имеют значительные преимущества перед существующими. В первую очередь – это большое (примерно на порядок) увеличение входной и выходной апертуры. На входе это приведет к устранению одного из крупных недостатков существующих усилителей – достаточно больших потерь излучения. На выходе – получаем усиленное симметричное излучение узкой направленности, согласованное по пространственной и угловой апертуре со стандартным одномодовым волокном. Наряду с этим, значительно упрощается и удешевляется конструкция оптического узла ввода и вывода – ввод и вывод могут быть сделаны напрямую без каких-либо оптических соединителей. Дополнительными преимуществами новых усилителей является также значительное возрастание уровня насыщения мощности излучения. Усилители с вытекающим излучением в значительном ряде применений могут стать альтернативой волоконно-оптическим усилителям. Имея более низкую цену и простоту конструкции, они необходимы для различных применений в волоконно-оптических линиях связи и передачи информации. И, наконец, твердотельное освещение или лучше – светодиодное освещение, создание которого является крупной проблемной задачей настоящего времени. За более чем столетие со времен, когда творил Эдисон, серьезных сдвигов в технологии освещения не произошло. Если не считать электролюминесцентных ламп с их серьезными недостатками, то, по-прежнему, главенствующую роль в освещении играют обычные лампы накаливания. Несмотря на проведенные усовершенствования, лампы накаливания обладают рядом существенных недостатков. Прежде всего, спектральный состав излучения ламп заметно отличается от естественного солнечного, что влияет на 9 здоровье и настроение людей. КПД действия ламп накаливания всего примерно 5%, а это означает, что только 1/20 часть затрачиваемой энергии превращается в свет, а более 90% расходуется напрасно на невидимое глазом излучение и тепло. Кроме того, надежность и ресурс работы этих ламп невысокие – сотни часов. Диодное освещение даст огромный экономический эффект. Как говорят эксперты, конечный результат будет заключаться в экономии десятков миллиардов долларов энергии в и эксплуатационных расходах ежегодно. Таким образом, можно говорить о грядущей революции в использовании людьми освещения в домах и офисах. Ключевая задача, которую предстоит решить для преодоления барьеров на пути создания нового поколения светодиодных излучателей, пригодных для освещения квартир в домах и офисах, состоит в увеличении эффективности преобразования примерно до 50% – 70% (что примерно в 10 раз больше, чем у ламп накаливания). В последнее время для увеличения эффективности светодиодов используют различные способы увеличения доли выводимого излучения. Судя по последним публикациям, это позволило увеличить вывод излучения до 30%. Однако необходимое для широкого применения полупроводниковых излучателей в приборах освещения удвоение эффективности светодиодов предложенными способами не просматривается. Нами предложен оригинальный и простой путь решения задачи по увеличению эффективности преобразования электрической энергии в излучателе вплоть до 60-80%. Суть предложения состоит в том, чтобы придать направленность спонтанному излучению, что достигается специальной конструкцией гетероструктуры, при которой большая часть спонтанного излучения, возникающего в активном слое, вытекает из него в строго заданных направлениях с узкой направленностью. В настоящей работе изложены основные идеи построения полупроводниковых приборов с вовлечённым в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области. Приводятся первые результаты экспериментальной работы. Анализируются перспективные области применения предлагаемых лазеров нового типа. 10 Глава 1. Различные концепции лазерных гетероструктур 1.1 Основа высокомощных полупроводниковых лазеров Высокомощные одномодовые (HPSM) диодные лазеры являются частью общего семейства высокомощных (HP) диодных лазеров. Основные требования для HPSM лазеров связаны с их функцией источника накачки для усилителей, особенно для волоконных усилителей, легированных эрбием, (EDFA) и Рамановских усилителей, а именно: - самая высокая возможная мощность; - одиночная поперечная мода (важна для введения в одномодовое волокно); - малая расходимость пучка с низкой асимметрией между медленными и быстрыми направлениями для обеспечения дешевой и эффективной связи со стекловолокном и максимальной мощности в лазере. Для существующих лазеров с излучающими гранями, грубо допуская, что эффективность преобразования энергии и теплопоглощающая эффективность - не сильные функции длины резонатора устройства (по крайней мере, для умеренных длин резонатора), эффективность рассеивания тепла зависит главным образом от плотности тока. В этом смысле нет никакого различия между длинными или короткими устройствами с излучающими гранями. Если плотность тока схожа, то и рассеивание тепла тоже схоже. Это делает возможным производство очень мощных лазеров, только увеличивая длину устройства при сохранении малой апертуры выхода. Длина резонатора в лазере с излучающими гранями с низкими внутренними потерями может быть очень большой, и потенциально могут быть достигнуты очень высокие выходные мощности. Это преимущества, ведущие к разработке излучающих граней для высокомощного использования. 1.2. Недостатки при достижении высокой мощности а) Поглощение свободных носителей. При некоторых длинах резонатора дальнейшее увеличение длины не приносит выгоды. Это происходит, когда внутренние потери в устройстве (поглощение свободных носителей, рассеяние поверхности и т.д.) будут сопоставимы с внешними потерями. Для устройства длиной 2мм внутренние потери должны быть ниже 2см-1, чтобы эффективность штепсельной вилки была выше 60% для 11 внутренней квантовой эффективности 100% и нулевого добавочного сопротивления. Чтобы получить эффективность штепсельной вилки 80% для 3мм резонатора нужно иметь потери приблизительно 0.5см-1. Поскольку должно быть низкое удельное сопротивление устройства для высокой эффективности преобразования и низкой теплогенерации, нужно легировать ограничительные слои (особенно необходимо легировать p-легированные ограничительные слои, где дырочная подвижность низка). Так как наименьшее количество световой волны проникает в p-легированные слои, неизбежно поглощение свободных носителей. Концентрация свободных дырок 1017см-3 дает поглощение 1см-1. Потери 0.5см-1 для стандартной симметричной волноводной конструкции представляют сегодня окончательный нижний предел. б) Катастрофическое оптическое зеркальное повреждение (COMD). Существует другой недостаток для высокомощных операций. При очень большой мощности удельная мощность становится очень высокой, вызывая много недостатков. Например, свет поглощается в «глухих» (ненакачанных) областях около лазерных поверхностей. Самопоглощение вызывает перегревание поверхности, которое, в свою очередь, сужает запрещенную зону в около-поверхостной области и далее расширяет поглощение. Эта обратная связь вызывает распад поверхностей в некоторой точке (формирование пещер), характеризующийся катастрофическим оптическим зеркальным уровнем повреждения (возникающим в 20-30MW/cm2 при 10ºC теплоотвода). Недавно было обнаружено, что перегревание поверхности может быть также связано с покрытием поверхности, загрязнением металлических контактов около поверхности, вызванным ненамеренно нанесенной ультратонкой диэлектрической пленкой. Эта пленка является причиной сокращенной инжекции тока в около-поверхостной области, чрезвычайно увеличивая перегревание и уменьшая уровень COMD. Недавние результаты, основанные на уточнениях технологии, показывают, что уровень COMD может превышать 40MW/cm2 в структурах с обычным (без вакуумного травления) покрытием поверхности1. Принимая высоту резонатора 0.4µm и ширину полосы 6µm, можно теоретически получать общую выходную мощность 0.96Вт. Если используется понятие расширенного резонатора (например, 4µm), общая выходная мощность может быть 9.6Вт в непрерывном режиме и будет ограничена теплопоглощающей эффективностью. Это мотивирует дальнейшее D.A. Livshits, I.V. Kochnev, V.M. Lantratov, N.N. Ledentsov, T.A. Nalet, I.S. Tarasov и Zh.I. Alferov, "Улучшенный катастрофический оптический зеркальный уровень поражения в InGaAs/AlGaAs лазерных диодах", Electron. Lett. 36(22), 1848-1849, 2000. 1 12 исследование и развитие устройств с расширенным резонатором и излучающими гранями с большими апертурами выхода. 1.3. Расширенные мощные лазеры 1.3.1. Лазеры с расширенным резонатором Только увеличение ширины оптического резонатора не решает проблемы. Вопервых, надо увеличить перекрытие световой волны с тяжело-легированным p-слоем, если есть желание сохранить низкое сопротивление устройства (могут допускаться только узкие нелегированные слои). Во-вторых, из-за малого разделения мод более высокого порядка может появляться множественная поперечная работа моды, ухудшая модель дальнего поля и вызывая кинки в световой мощности - характеристики тока из-за эффектов переключения мод. Чтобы преодолеть эту проблему, было предложено много подходов, включая различные конструкции расширенного оптического резонатора и структуры с вытекающим волноводом. Для борьбы с высоким поглощением света свободных дырок были предложены асимметричные структуры, где область усиления сильно сдвинута к pограничительному слою резонатора. Тогда, однако, увеличивается вероятность лазерного излучения первой моды (самой близкой к фундаментальной моде). В симметричных волноводах эта мода подавлена путем помещения усилителя среды в узловую позицию. Так как увеличение толщины оптического резонатора ограничено появлением мод высокого порядка, были разработаны специальные конструкции резонатора (обычно, низкий шаг показателя преломления). Эффективное распространение фундаментальной моды резонатора может быть увеличено без опасности появления мод более высокого порядка. Следовательно, вертикальная дивергенция модели дальнего поля уменьшается от 60 до 30 из-за сокращенной самодифракции в апертуре устройства. Этот подход используется Princeton Lightwave для лазеров на InP основе на 14XX длинах волны. Раньше сообщалось об очень высокой многомодовой мощности в длинных лазерах с излучающими гранями с малыми потерями (12Вт в непрерывном режиме при теплопоглощающей температуре 10ºC и шириной выходной полоски 100µm). Для работы одиночной поперечной моды обычно нужно использовать ширину полосы 5-7µm в зависимости от длины волны. Таким образом, очень приблизительная оценка одномодовой выходной мощности должна быть около 0.7Вт в непрерывном режиме для самих пластин. 13 Дальнейшее увеличение ширины резонатора (большой оптический резонатор) при использовании этого довольно обычного подхода ограничено эффектами, о которых уже упоминалось выше. Можно было бы, вероятно, использовать несколько резонаторов с µmтолщиной, сохраняя номинально одномодовый выход, но на работу устройства кардинально воздействуют незначительные неоднородности пластины, кроме того устройство становится очень чувствительным к малым изменениям показателя преломления, вызванным инжекцией тока. 1.3.2. Сложные волноводные лазеры В последнее десятилетие были предложены различные типы сложных волноводных структур с очень малыми шагами показателя преломления или тонкими слоями, которые улавливают только одну моду2. Эти структуры чувствительны к незначительным изменениям параметров резонатора и требуют очень точной технологии. Даже в этом случае небольшие изменения показателя преломления из-за инжекции тока вызывают существенные изменения в модели дальнего поля и ухудшают линейность выхода устройства. Для преодоления этой проблемы было предложено несколько подходов. Например, Ferdinand-Braun-Institut в Берлине использует концепцию асимметричного волновода с малым шагом показателя преломления, позволяющую сосуществовать двум модам и подавлять вторую моду большим поглощением свободных носителей в легированных областях. Это делает возможным сужение расходимости пучка (FWHM) до 15 (об этом было сообщено на специальном семинаре, посвященном Немецкой Государственной Программе по мощным лазерам, Freiburg, март 2001г.). Выполнить дальнейшее сужение довольно трудно, проблематичен и допуск устройства к технологическим неоднородностям. Многочисленные подходы проиллюстрированы конструкцией "оптический усилитель"3. На Рис.1.1 изображены два узких резонатора, которые объединены для получения как расширенного резонатора, так и асимметричной конструкции для pлегирования. Авторы получили низкие внутренние потери (1.4см-1), но высокую плотность порогового тока. 2 US4328469: Инжекционные лазеры с высокой выходной мощностью, Scifres, 1982. M. Buda, W.C. van der Vleuten, Gh. Iordache, G.A. Acket, T.G. van de Roer, C.M van Es, B.H. van Roy и E. Smallbrugge "GaAs-AlGaAs DQW лазерный диод с оптическим уровнем уловителя, малыми потерями и низким ограничением для работы на высоких мощностях" IEEE Phot. Tech. Lett. 11, 161, 1999. 3 14 Рис.1.1 «Оптический усилитель» М.Buda и др. 1.3.3. Лазер с вытекающим волноводом Другой подход - лазер с вытекающим волноводом – был предложен D.C.Scifres4: "Гетеропереходный диодный лазер, который использует вытекающее соединение через тонкий ограничительный слой или несколько тонких ограничительных слоев, чтобы выработать высокомощный выходной луч с высокой внешней дифференциальной квантовой эффективностью и с относительной свободой от повреждения поверхности из-за высокой оптической плотности". Этот подход отражен, в частности, в следующих патентах: US5101413 – Источники света с большой апертурой, использующие резонансные (Botez) матрицы с вытекающим соединением; US4985897 – Матрица полупроводникового лазера с высокой мощностью и высоким качеством луча (Botez et al), использующая боковые периодичные матрицы лазеров. Существует много патентов по использованию в лазерах вытекающих волноводных структур, но они главным образом связаны с боковыми матрицами излучателей по граням, в которых используются эффекты бокового вытекания света и которые не будут обсуждаться в данной работе. D.C. Scifres et al., "GaAs: GaAlAs диодный лазер с двойной гетероструктурой и вытекающей волной, работающий при комнатной температуре", Applied Physics Letters, vol. 29, No 1, Jul. 1, 1976, pp. 23-25. (US4063189: Диодный лазер с вытекающей волной, 1977 , Scifres; Donald R., Burnham; Robert D., Streifer; William). 4 15 В подходе Scifres по лазеру с вытекающей волной узкая область усиления помещена в части структуры с более низким показателем преломления и световым "вытеканием" из области усиления. Недостаток этого подхода заключается в том, что он вызывает дополнительные "потери вытекания" и требует, в целом, более высоких плотностей порогового тока. Потери вытекания могут быть сокращены изменением конструкции. Однако затем "паразитное" лазерное излучение из узкой области усиления может существенно способствовать выходной мощности. Эту проблему решает идея использования полного внутреннего отражения на канал за вытекающим излучением в направлении к области усиления. Лазерное излучение должно быть в области усиления, но большая часть световой энергии должна преобразовываться в каналы через вытекающий волноводный слой (прозрачная подложка в самом простом случае). Если (в самом простом устройстве) вытекание эффективно, то будут высокие потери вытекания и большая плотность порогового тока. Если вытекание слабое, то будет трудно избежать существенного проникновения лазерного излучения в область усиления. Дополнительно, если конструкция не оптимизирована (например, очень большой угол вытекания в самом простом лазере с вытекающей волной или слишком большое рассеяние света в "отражающейся" поверхности), то свет может быть направлен на контактный слой, где он будет рассеян или поглощен. Этот результат наиболее важен для длинных устройств, он создает впечатление неожиданно высоких "внутренних потерь". По нашему мнению, они являются теоретическими недостатками рассматриваемой конструкции. Относительно высокие "внутренние потери" в ней (то есть падение эффективности штепсельной вилки с увеличением длины резонатора) могут быть в некоторой степени вызваны конечной "отражательной способностью" нижней "зеркальной" поверхности. С другой стороны, свет, который "вытекает" через подложку или через "вытекающий слой", не подвергается самодифракции в тонкой волноводной апертуре. Следовательно, и это наиболее важно, модель дальнего поля очень узкая, и удельная мощность поверхности очень низкая. Потери свободных носителей можно сделать очень низкими, поскольку волновод, в конечном счете, асимметричен (только незначительная доля световой волны взаимодействует с pограничительным слоем). Подход "простого вытекания" не используется широко главным образом потому, что трудно собрать конструкцию, которая позволяла бы получать малые углы вытекания и тем самым использовать "оконный" слой вместо подложки, обеспечить достаточно низкие потери вытекания без проникновения лазерного излучения в "область усиления" и сохранить "надежную" конструкцию. 16 Описываемый в данной работе подход основан на понятии вытекающей волноводной структуры, но отличается от старых патентов. Утверждается, что эффективный резонатор, где происходит распространение лазерного излучения, имеет комплексную природу, и эффективная длина резонатора не совпадает с длиной области усиления. В 99% реализованных схем это обеспечивается изготовлением устройств по крайней мере с одной поверхностью, так наклоненной относительно плоскости "скалывания", что нет никакой обратной связи для лазерного излучения "обычного резонатора" в области усиления. Однако угол наклона отрегулирован, чтобы дать обратную связь вытекающей моде. Так, лазерное излучение происходит только в некоторой "изогнутой" полости, сформированной областью усиления и вытекающим волноводным слоем. Этот подход отличается от подхода, использованного в патенте D.C. Scifres, т.к. в предложенном Лазере лазерное излучение не должно возникать в области усиления, которое в других известных лазерах является средой оптического резонатора. Заметим, что лазерное излучение, конечно, возникает в области усиления, но лазерный резонатор имеет сложную "изогнутую" природу, где длина резонатора не совпадает с длиной области усиления, будучи противоположным обычным лазерам с двойной гетероструктурой и вытекающим волноводом. С другой стороны "наклоненные" поверхности не очень желательны с технологической точки зрения (дорогие, менее надежные, труднее наносить покрытия и т.д., то есть, необходима существенная корректировка стандартной технологии). Автором описанного подхода является академик Академии Инженерный Наук России, доктор технических наук, профессор, Лауреат Ленинской премии В.И. Швейкин. Основным переломным открытием можно считать то, что предлагается дополнительный слой на стороне подложки, обеспечивающий внутреннее отражение вытекающего излучения, смягчая требования к ширине резонатора - длине резонатора и углу вытекания. Кроме того, что более важно, наклоненные поверхности не являются необходимостью, и мода резонатора может быть сформирована множественной волной отраженного света (см. Рис. 1.2). 17 1. Double Heterosructure Laser and related concepts (SCH, GRIN SCH, etc.) (Shveykin) 3. Leaky waveguide (D-LED PATENT) 2. Leaky waveguide (Scifres) 4 5. FIRST PROTOTYPE . (NOT COVERED BY D-LED PATENT) 5 4. SECOND PROTOTYPE (D-LED PATENT, AMENDMENT) Рис. 1.2. Различные концепции лазерных гетероструктур В первом успешном изготовленном нами прототипе не было обратной связи для вытекающего излучения, что было ясно из конечного угла вытекающего излучения и из дополнительного большого пика расходимости в модели дальнего поля благодаря лазерному излучению прямо из области усиления. Этот прототип схематично изображен на Рис. 1.2, эскиз 4. Остроконечная природа спектра может возникнуть из-за различной эффективной длины лазерного излучения, вытекающего из области усиления, которая подвергается многократным отражениям в волноводе и приводит к модели "интерференции" в зеркале. При использовании отражающего покрытия задней поверхности возникает настоящее "лазерное излучение с вытекающим волноводом", которое раньше приводило к узкой модели дальнего поля без спайков, нормальному выходному излучению и отсутствию сателлитных пиков ( см. рис. 1.2, эскиз 5). В ходе дальнейших исследований в создаваемых образцах было реализовано "вытекающее лазерное излучение", соединенное с обычными сколотыми поверхностями. Стало также возможно реализовать низкий порог и работу одной поперечной моды с узкой 18 расходимостью до 2Вт в импульсном режиме без тепловой стабилизации при комнатной температуре. 1.3.4. Высокомощные лазеры фотонакачки с вертикальным выводом Одним из последних подходов для одномодовых высокомощных лазеров является создание лазеров с вертикальным выводом и излучающей поверхностью. Практическая реализация основана, например, на оптической накачке активной среды, помещенной на вершине многослойного распределенного Брэгговского рефлектора и защищенной эпитаксиальным слоем с широкой зоной, чтобы избежать поверхностной безызлучательной рекомбинации. Для накачки используется внешнее верхнее зеркало, и можно использовать обычные диодные лазеры. Подход дает очень узкую (твердотельную лазероподобную) расходимость пучка, а также возможность эффективного внедрения свободных кинков в стекловолокно и прямого удвоения частоты. Этот подход обеспечивает очень хорошие, и теперь, вероятно, рекордные коммерческие параметры устройства для полной выходной мощности и, определенно, рекордную удельную мощность на один угол. Дополнительные преимущества связаны с конструкцией VCSEL – работой одиночной продольной моды, сверхвысокой термостабильностью излучающей длины волны (определенной модой резонатора, не запрещенной зоной) и сверхвысокой термостабильностью пороговой напряженности возбуждения для соответствующей корректировки спектра усиления и моды резонатора. Этот подход используется Coherent (OPSL – оптически накачиваемый полупроводниковый лазер, см. Рис. 1.3 и 1.4). Рис.1.3. Высокомощный VSCEL-типа лазер оптической накачки 19 Нужно заметить, что стабилизация длины волны также возможна для излучателей на гранях, использующих grating-stabilized fiber coupling (SDL-JDS Uniphase). Недостаток конструкции, вероятно, связан с малой длиной (высотой) активной среды. Для данного рассеяния теплоотвода на единицу площади увеличение мощности возможно только при увеличении области поверхности излучения. В устройствах с излучающими гранями легко реализуемы намного более высокие удельные мощности на выходной поверхности. Рис. 1.4. Измерения модуля OPSL-980-500 1.3.5. Высокомощные VCSELs с вводом тока Так как для достижения большой мощности требуется большая площадь поверхности, возможность получения высокомощной работы VCSEL состоит в том, чтобы использовать p-легированные, верхние DBR зеркала, сборку к теплоотводу p-стороной вниз и излучение света через n-легированную подложку (см. Рис.1.5). Достигнуты очень высокие выходные мощности (импульсный режим: 10Вт в RT и 20W при -23ºC температуре теплоотвода, но только для большой излучающей поверхности устройства). 20 Рис.5. Проект высокомощного VCSEL с вводом тока5 На Рис.1.6 изображена работа VCSELs с вводом тока в импульсном и непрерывном режимах. Для соответствующих сборок может использоваться подобный выход в непрерывном режиме. Технология также очень рентабельна. Мы знаем, что на Тайване в настоящее время в стадии разработки находится технология оксидных VCSEL с вводом тока на 6-дюймовых GaAs пластинах. Рис.1.6. Функционирование VCSEL в пульсовом режиме с 4μm и 500μm апертурами (Geysler и др.). Отмечена выходная мощность свыше 20W при -23ºС. 5 Geysler и др., Письма в журнал Техническая физика, 25(19), 40, 1999 21 Работа large-area VCSELs на больших мощностях не приводит к деградации модели дальнего поля. На Рис.1.7 изображена модель дальнего поля устройства с выходом в 5W. Расходимость пучка - только 2.75º, что дает рекордное значение удельной мощности на угол. Однако, благодаря очень большой апертуре устройства, не вся эта мощность может быть введена в стекловолокно. Рис.7. Картина дальнего поля высокомощного VCSEL. 1.3.6. Высокомощные VCSEL каскады с небольшой выходной апертурой Есть несколько конструкций VCSEL, которые пытаются объединить небольшую выходную область и большую инжекционную поверхность. Эти подходы основаны на размещении VCSELs в каскадах, как показано на Рис.1.8. Однако в этом случае конструкция намного сложнее. Рис. 1.8. Массив VCSEL, объединенных в единый резонатор. В заключении этой главы нужно подчеркнуть, что одномодовые лазеры с излучающими гранями, 6µm полосой и расширенным резонатором (или с вытекающим волноводом) могут потенциально иметь расходимость в 3-6º в обоих поперечных направлениях и приблизительно 6µm квазикруговую апертуру. Принимая уровень COMD (скромная оценка) в 20MW/cm2, можно ожидать, что выходная мощность будет 7.2Вт в непрерывном режиме (или 14.4Вт в непрерывном режиме для 40MW/cm2) с одной модой и ПРЯМЫМ (без линз) введением в стекловолокно. Эта мощность может быть реализована 22 для COMD-ограниченных устройств с излучающими гранями, очень большой длиной резонатора и ультрамалыми внутренними потерями. Глава 2. Проведение теоретических исследований диодных лазеров с односторонним вытеканием 2.1. Анализ светоизлучающего диода на основе гетероструктур с «вытеканием» Одной из основных проблем на пути создания высокоэффективных лазеров, работающих на «вытекающих» модах, является высокое требование к оптическому качеству подложки, на которой выращена гетероструктура. В частности, можно ожидать умеренных излучательных характеристик при потерях в подложке s=1 см-1 и высоких излучательных характеристик лазеров, если эти потери s < 0.1 см-1. В 23 настоящее время минимально достижимый уровень потерь в подложке является открытым вопросом, требующим отдельного изучения. Столь высокие требования к потерям в подложке являются следствием того, что на практике нельзя увеличивать потери на вытекание, так как это приводит к значительному росту порогового тока. Действительно, для - эффективности лазера, работающего на вытекающей моде, имеем6: fc T leak F ( ) leak fc p 1 exp(2 fc l ) (1) где leak – оптические потери на «вытекание» из волновода, fc 1 1 ln 2l R1 R2 - оптические потери резонатора Фабри-Перо, р – потери в пассивных волноводных слоях. Функция F() определена как: F ( ) 1 exp( 2l tg ) 2l tg fc (tg ) 1 s (sin ) 1 , (2) где - угол «вытекающего» пучка относительно оси резонатора. Очевидно, что для того, чтобы F()1, необходимо, чтобы значение .ltg было существенно меньше единицы. Например, если положить F()=0.8, то значение .ltg должно быть менее 0.2. Для s = 5 см получим, что l не должно превышать 400 мкм. С другой стороны, выигрыш в мощности «вытекающего» пучка К оценивается как: K ~ leak.l (3) Отсюда следует, что при найденном l = 4.10-2 см, leak должно быть 250 см-1 для того, чтобы К составляло хотя бы 10. Это и есть высокое значение потерь на «вытекание», о котором сказано выше, и которое повлечет значительный рост порогового тока. В этой связи может представлять интерес альтернативный вариант, а именно, светоизлучающий диод (СИД). Для этого прибора отсутствует физически определенное 6 А.П.Богатов, А.Е.Дракин, В.И.Швейкин Квантовая электроника, 26, №1, 28-32, 1999 24 понятие порогового тока, поэтому на первый взгляд кажется несущественным как эта величина изменяется при изменении параметров структуры. Появляется возможность увеличивать потери на «вытекание» и делать их много больше всех остальных потерь, тем самым уменьшить их влияние на эффективность прибора. Однако следует заметить одну принципиальную разницу между лазером и СИД. Она состоит в том, что в лазере за порогом генерации почти вся мощность, поставляемая накачкой в активную область, переходит в поле электромагнитного излучения одной или нескольких мод. То есть внутренняя эффективность лазера близка к единице. Далее эта мощность генерируемого электромагнитного поля делится на две части, одна из которых диссипирует внутри лазерного диода из-за его внутренних оптических потерь и оказывается безвозвратно потерянной, другая же часть выходит наружу в виде полезного излучения. Доля этой выходящей наружу мощности от полной определяет дифференциальную эффективность лазера. Таким образом, полная эффективность лазера равна произведению внутренней эффективности на величину внешней эффективности. Как уже было отмечено выше, внутренняя эффективность лазера близка к единице, поэтому полную эффективность лазера определяет, в основном, значение его внешней эффективности. Соответственно, лазер конструируется так, чтобы эта величина было по возможности максимальной. Следует заметить, что для СИД эта величина столь же существенна, как и для лазера. Для СИД полную эффективность можно также представить как произведение внутренней эффективности на внешнюю эффективность. В случае СИД мы можем конструировать структуры для увеличения внешней дифференциальной эффективности ext, не заботясь при этом о других параметрах, например, пороге генерации, как в случае с лазером. Это и является основным благоприятным обстоятельством. Отрицательным же обстоятельством для СИД является крайне низкое значение внутренней эффективности преобразования мощности, подводимой к активной области, в мощность, поступающую в отдельную электромагнитную моду. Эта величина известна как фактор спонтанного излучения, который при типичных параметрах излучательного элемента составляет значения в диапазоне 10-4sp10-6. Поскольку в обычных СИД мы имеем дело со спонтанным излучением во все разрешенные моды электромагнитного поля, а среди них есть достаточно большое число Nef, которое обладает высоким ext, то за счет этого мы опять отыгрываем в значении i в виде: 25 i = sp.Nef (4) Соответственно, для полной эффективности получим = ext. .sp . Neff (5) Соотношение (5), с точки зрения геометрической оптики, представляет ту долю полной излученной в телесный угол 4 энергии, которая вышла наружу. Оценки , а также результаты многочисленных экспериментов свидетельствуют о том, что типичные значения находятся в диапазоне, не превышающем уровень нескольких процентов. Причем в виде (5) значение зависит только от геометрии прибора. С другой стороны известно, что если в качестве СИД используется прибор в геометрии близкой к лазерной, и уровень возбуждения достаточно велик, то спонтанное излучение, испущенное в волноводную моду, может усиливаться перед тем, как выйти наружу. За счет этого эффекта (суперлюминесценция) эффективность преобразования мощности, закачиваемой в активные слои, в мощность волноводной моды может резко возрасти. Таким образом, мы можем ожидать повышения полной эффективности СИД. Таким образом, переходя от лазера к СИД, мы можем выиграть в значении внешней эффективности, но обязательно проиграем в значении внутренней эффективности. Последнюю величину можно, в принципе, частично отыграть обратно, во-первых, за счет значительного количества мод Neff, во-вторых, за счет использования режима усиленного спонтанного излучения (суперлюминесценции). Понятно, что в этом случае понятие эффективности становится не очень удобной величиной, поскольку она сама в значительной степени зависит от тока накачки. По этой причине наиболее адекватной величиной является ватт-амперная характеристика прибора. В свете вышесказанного основной целью анализа СИД, изготовленных на основе гетероструктур, имеющих оптический волновод с «вытеканием» волны, является расчет их Ватт-Амперных характеристик. 26 2.2. Основные соотношения для расчета Ватт-Амперной характеристики СИД Вначале найдем мощность pm , передаваемую активным слоем в m-волноводную моду, а также мощность plm, излучаемую волноводной модой в поток «вытекающей» волны pm Em2 dV 4 (6) Va plm leak c n 4 Em dV 2 , (7) где Em – амплитуда напряженности электромагнитного поля, соответствующего mмоде, Vа – объем, занимаемый активным слоем, V – объем, занимаемый полем m-моды, leak - потери на вытекание, ” – мнимая часть диэлектрической проницаемости активных слоев. Мы примем такую модель СИД, в которой активный слой и ближайшие эмиттерные слои рассматриваются как объем, занятый полем m-моды, а остальной объем прибора используется для вывода «вытекающего» излучения. В связи с тем, что в соотношениях (6), (7) используется Em2, которое зависит от координаты, введем, по определению, некое значение этой величины, усредненное по E~ 2 m активному объему Va , согласно следующему соотношению: ~2 ; Em2 dV Va E m Va d a l W , (8) Va где da - толщина активного слоя (суммарная, если несколько активных слоев), l длина диода, W - ширина контакта. Кроме того, введем по определению фактор оптического ограничения m, согласно традиционно используемому соотношению: m Em dV Em dV 2 2 Va Для того чтобы найти значения pm и plm необходимо вначале найти среднее значение квадрата амплитуды спонтанного поля m-моды. Для этого рассмотрим баланс энергии в моде при накачке, соответствующей порогу просветления в активной 27 области. При этом резонансные потери в активных слоях равны нулю, и мы имеем только нерезонансные потери в волноводных слоях p и потери на вытекание l. Таким образом, для полных потерь имеет место соотношение: = p + l . Баланс энергии запишется в виде: ~o E m 2 m1 c n 4 N om m sp , (9) где Nom – значение концентрации носителей на пороге просветления для частоты излучения, соответствующей m-моде, - время спонтанной рекомбинации, n – эффективный показатель преломления для волноводной моды, с – скорость света. Можно показать, что при дальнейшем увеличении накачки, E~m2 растет пропорционально ~ Em2 ~ N gm , (10) где gm - модовое усиление для m-моды. Мы полагаем, что потери не зависят от номера моды, также как и фактор спонтанного излучения, фактор оптического ограничения и энергия кванта. При этом мы не допустим значительной ошибки, поскольку ширина линии спонтанного излучения много меньше значения m. N – текущее значение концентрации носителей. Используя (9) и (10), находим: ~ 2 N m sp 4 E m m ( g m ) c n Теперь, зная (11) E~m2 , мы, согласно (7), можем найти мощность plm , излучаемую m-модой в объем прибора. Полная излучаемая мощность PL найдется суммированием по всем модам, имеющим высокое значение ext: PL plm Va sp Lg m N m (12) m 28 Мы будем рассматривать прибор с широкой активной областью, то есть ее поперечный размер W (вдоль p-n перехода) много больше длины волны . В этом случае для sp будем иметь: sp 2 c 3 na n n2m d a l W (13) , где na - показатель преломления активной области, n* - эффективный групповой показатель преломления, - эффективная ширина для линии спонтанного излучения. Эту величину можно определить как: r d r m (14) , где r() - скорость спонтанного излучения на частоте . Еще раз обратим внимание на то, что в соотношении (12) используются значения и sp, представляющие некие средние по спектральному контуру линии. Это вполне разумное допущение, так как реальная ширина линии усиления и ширина линии спонтанного излучения много меньше значения центральной частоты. Для выполнения суммирования в (12) необходимо найти плотность мод (), приходящихся на единичный интервал частот. Для двухмерного случая, когда W,l>>, где l - длина диода, для плотности мод () нетрудно получить: n n l W c 2 2 c , (15) где - угол в плоскости p-n перехода, соответствующий модам, не попадающим в угол полного внутреннего отражения. Далее, используя (15), (13) и (12), найдем: PL N l W 1 4 na L d g (16) 29 Здесь суммирование по модам заменено интегрированием по квазинепрерывному спектру. Интегрирование в (16) происходит по всему спектру линии спонтанного излучения. Выходную мощность СИД P можно найти как: P = ext . Pl (17) Выше мы нашли мощность излучения в условиях, когда заданы значения усиления g , концентрации электронов N и потерь . Для построения Ватт-Амперной характеристики (ВТАХ) необходимо найти ток J , при котором реализуются вышеуказанные параметры. Для этого воспользуемся соотношением (6) и уравнением баланса для электронов. В результате будем иметь: J N Va e e 4 mm E~m2 dV m (18) Va Второй член в правой части (18) соответствует той части тока, которая имеет место за счет стимулированной рекомбинации. Мнимую часть можно выразить через материальное значение G как: cn G (19) ~2 E m в виде (11) и произведя суммирование Используя (19), выражение для по всем модам аналогично тому, как это было сделано выше, окончательно получим: N Va e 1 g J d 1 d a 4n g (20) Таким образом, соотношения (20) и (16,17) параметрически задают ВаттАмперную кривую СИД. Ниже приводятся примеры расчета ВТАХ в соответствии с соотношениями (20) и (16). 2.3. Численный расчет и обсуждение результатов 30 Расчеты были выполнены для структур двух типов А и В, данные по которым представлены в Таблице 1. Таблица 1 N A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Толщина, мкм B 0.5 1.0 0.04 0.2 0.01 0.2 0.04 0.260.4 4.3 1.0 - Показатель преломления Коэффициент поглощения, см-1 3.37 3.485 3.13 3.4 3.52 3.63 3.52 3.4 3.36 3.46 3.13 3.516 423 500 10 1 1 1 200 1 1 3 20 1 0.53 0.5 1.0 0.04 0.2 0.01 0.2 0.04 0.260.4 0 0 - При расчете интегральной мощности излучения диода в спонтанном режиме точный вид спектральных кривых усиления не является определяющим фактором. Существенную же роль играют такие параметры, как максимальное значение усиления и эффективная ширина контура усиления. Для расчета ВТАХ суперлюминесцентных диодов спектральная зависимость кривых усиления моделировалась параболической зависимостью. На рис.2.1 представлены модельные зависимости модового усиления для некоторых значений концентраций инжектированных носителей. Кривые характеризовались значением усиления в максимуме gm g (N N0 ) N , где N0 – порог прозрачности структуры, и расстоянием между квазиуровнями Ферми F электронов и дырок. Зависимость F от концентрации носителей рассчитывалась в модели квантовой ямы с одним электронным и одним дырочным уровнями. Для дифференциального усиления g/N использовалось значение 1.510-15 см2. Ширина запрещенной зоны Eg полагалась равной 1.26 эВ (g=0.98 ). На рис.2.4 представлены расчетные ВТАХ суперлюминесцентных диодов, работающих на вытекающих модах. Рассматривались два типа диодов: с выводом излучения через подложку и с выводом излучения через толстый волноводный слой, расположенный под активным волноводом. В обоих случаях предполагалось отсутствие просветляющего покрытия на выходном зеркале (коэффициент отражения R=0.3). При расчете брались следующие значения параметров: ширина полоски W=100 31 мкм, время жизни носителей относительно спонтанного излучения =1 нс, угол вытекания излучения по отношению к продольной оси диода =7, угол расходимости мод, попадающих в угол полного внутреннего отражения в плоскости p-n-перехода =34, коэффициент оптического ограничения в активном волноводе =0.02. Поглощение в выводящем волноводном слое wg полагалось равным 0.5 см-1. На всех приведенных кривых изображены точки, соответствующие изменению максимума усиления в активной области на 15 см-1. На рис.2.2 представлены ВТАХ для СИД с выводящим слоем при разных потерях на вытекание (50 200 см-1) для длины диода L=200 мкм (а) и 600 мкм (б). Крайние точки на ВТАХ (соответствующие максимальной мощности) для потерь на вытекание 50 см-1 соответствуют практически порогу генерации, в то время как для потерь на вытекание 200 см-1 максимум модового усиления еще меньше порогового значения на несколько десятых долей обратного сантиметра. На рис 2.3. сравниваются ВАХ для СИД с L=600 мкм с выводом излучения через подложку (тип В, “leaky”) и через выводящий слой (тип А, “waveguide”) при двух значениях потерь на вытекание (100 и 200 см-1) и при поглощении в подложке 5 см-1. Видно, что за счет более эффективного вывода излучения выходная мощность больше для СИД с выводящим слоем. Следует отметить, что эту разницу можно свести практически к нулю за счет просветления выходной грани диода и уменьшения потерь в подложке. На рис.2.4 показана зависимость ВТАХ для диода с выводом излучения через подложку от потерь в ней. Как следует из рисунка, при выбранных значениях параметров уменьшение поглощения в подложке менее 0.5 см-1 практически не приводит к увеличению выходной мощности диода. 32 Рис. 2.2. СИД с толстым выводящим слоем Рис. 2.3. СИД с толстым выводящим слоем и с вытеканием через подложку 33 2.4. Расчет характеристик гетероструктур для диодных лазеров с вытекающим излучением Расчеты характеристик диодных лазеров с односторонним вытеканием проводились с использованием компьютерной программы, реализующей численную модель многослойной полупроводниковой структуры. Для расчета распределения поля в гетероструктуре в направлении, перпендикулярном слоям, используется так называемый матричный метод7. При распространении электромагнитного поля через границу раздела от слоя к слою пересчитываются коэффициенты, определяющие функциональную зависимость поля в слое. Усиление и поглощение в слоях гетероструктуры учитывается введением соответствующих комплексных значений диэлектрических проницаемостей. Предполагается, что параметры структуры постоянны вдоль y- и z-осей и имеют Рис. 2.4. Зависимость мощности излучения кусочно-постоянный характер вдоль оси x. Временная зависимость электромагнитного СИД от потерь в подложке поля берется в виде e-it . Предполагается, что мода распространяется вдоль оси z, и вперед распространяющаяся волна описывается множителем eit с комплексной постоянной распространения , имеющей положительную реальную часть. В силу однородности задачи по оси y имеем d/dy=0. Каждый i-ый слой структуры характеризуется своей толщиной di и комплексным показателем преломления Ni=ni+ili, где мнимая часть li описывает поглощение или усиление поля в слое. При сделанных предположениях решение уравнений Максвелла распадается на две независимые группы мод: поперечные электрические (TE) и поперечные магнитные (TM). Методика расчета их одинакова. Поясним ее на примере TE-мод. В этом случае мода полностью описывается одной своей компонентой Ej(x,z), поляризованной вдоль оси y и имеющей вид E j ( x, z) E jy ( x) exp[ i( j z t )], где j – номер моды, j – ее константа распространения, а Ejy(x) характеризует поперечное (по оси x) распределение поля и в каждом слое удовлетворяет уравнению Гельмгольца 7 Рис. 2.3. СИД с толстым выводящим слоем и J. Chilwall, et al., J. Opt. Soc. Amer., A. Vol.1, No.7, pp. 742-753, 1984 вытеканием через подложку 34 d 2 E y ( x) i2 E y ( x) 0, m 1,2,, L 2 dx c константами поперечного распространения i, 2 i 2 c 2 N i2 j2 (21) определяемыми из (22) Зависимость поля от поперечной координаты x в каждом слое дается общим решением уравнения (21) и представляется в виде Ejy(x) = Ai exp[ ii (x – x i-1)] + Bi exp[– ii (x – x i-1)] (23) Комплексные амплитуды Ai и Bi для всех слоев связаны между собой через граничные условия для тангенциальных составляющих поля, требующих их непрерывности. Модовая константа распространения j определяется из наложения ограничения на вид поля (23) в первом и последнем слоях структуры, а именно из условия экспоненциального затухания амплитуды поля на бесконечности. Из вида общего решения (23) следует, что для удовлетворения этого условия необходимо, чтобы в полубесконечных слоях (i=1, L) один из коэффициентов Ai или Bi обращался в нуль. При расчетах выбирается корень с Imi>0, что приводит к следующим условиям для поля в ограничивающих слоях: A1=0, BL=0. Таким образом, методика определения модовой постоянной распространения следующая. В первом слое полагается A1=0 и берется произвольное фиксированное Ai Ai 1 K i B , B i i 1 i 2,3, L, значение B1, являющееся лишь нормировочным множителем для поля в структуре. При этом рекуррентные соотношения 1 Ki 2 i 1 ) exp( i i 1 d i 1 ) (1 i 1 ) exp( i i 1 d i 1 ) i i (1 i 1 ) exp( i i 1 d i 1 ) (1 i 1 ) exp( i i 1 d i 1 ) i i (1 . 35 позволяют вычислить коэффициент BL, который можно рассматривать как функцию константы распространения BL(). Численно на комплексной плоскости решается трансцендентное уравнение BL()=0, корнями которого являются постоянные распространения мод рассматриваемой структуры. Модовое усиление (потери) Gmod,j и эффективный показатель преломления моды neff,j j-ой моды определяются стандартным образом: neff , j c Re j Gmod, j 2 Im j где Rej и Imj – действительная и мнимая части j, соответственно. С найденными значениями j рассчитываются все параметры i, Ai, Bi, i=1,2…L, которые согласно (3) полностью определяют одномерное поперечное пространственное распределение поля TE-моды в рассматриваемой структуре. Входные параметры программы включают: n#[i] – показатель преломления i-го слоя; l#[i] – коэффициент потерь i-го слоя; d#[i] – толщина i-го слоя; nas – номер первого активного слоя; naf – номер последнего активного слоя; nhs – число слоев гетероструктуры; ist – номер первого слоя гетероструктуры; ifin – номер последнего слоя гетероструктуры; ksl – номер слоя вытекания излучения. Результаты расчетов – интегральные характеристики гетероструктуры представляются в зависимости от плотности тока: ptok - плотность тока; piks – число пиков на картине ближнего поля; 36 ps– эффективный показатель преломления к показателю преломления слоя вытекания излучения ; ugol – угол вытекания; netgain(GNET) – результирующий модовый коэффициент усиления; lgain (GIM) –модовый коэффициент усиления (общий); lsub – потери излучения в подложку; ltop – потери излучения в контактном слое; loss – внутренние оптические потери; gamma – коэффициент локализации оптического излучения в активном слое; alfa –α -фактор B013 – угол расходимости излучения ближнего поля на уровне e-2; R05 – угол расходимости излучения на уровне 0,5; R13 – угол расходимости излучения на уровне e-2. 2.5 Расчёт характеристик диодных лазеров с односторонним вытеканием излучения для асимметричной гетероструктуры Описанная выше компьютерная характеристик диодных лазеров использовалась для расчета с односторонним вытеканием излучения для асимметричной гетероструктуры. Пример гетероструктуры модель результатов расчета характеристик для с односторонним вытеканием (ГСОВ) приведен в Таблице 2. Таблица 2 980-LAS-SOA-Asimm, RES=300, nRES=10, R0=1, t=1, s=0.7 k[ 0]=M n[ 0]= 2.4000 l[ 0]=900000.0 k[ 1]=0,1e20 n[ 1]= 3.5250 l[ 1]= 140.0 k[ 2]=34,4e8 n[ 2]= 3.3400 l[ 2]= 28.0 k[ 3]=38,4e8 n[ 3]= 3.3180 l[ 3]= 28.0 k[ 4]=38,1e8 n[ 4]= 3.3180 l[ 4]= 7.0 k[ 5]=30,1e8 n[ 5]= 3.3613 l[ 5]= 7.0 k[ 6]=30, nd n[ 6]= 3.3613 l[ 6]= 7.0 k[ 7]=0, nd n[ 7]= 3.5250 l[ 7]= 7.0 k[ 8]=-20,nd n[ 8]= 3.6300 l[ 8]= 310.0 k[ 9]=0, nd n[ 9]= 3.5250 l[ 9]= 4.0 k[11]=30, nd n[11]= 3.3613 l[11]= 3.0 k[12]=30,1e8 n[12]= 3.3613 l[12]= 3.0 k[13]=30,1.5e7 n[13]= 3.3613 l[13]= 1.0 k[15]=32,1.5e7 n[15]= 3.3525 l[15]= 1.0 k[16]=32,1e8 n[16]= 3.3525 l[16]= 3.0 k[17]=34,2e8 n[17]= 3.3400 l[17]= 6.0 k[18]=0, 2e8 n[18]= 3.5250 l[18]= 6.0 ksl=13 nas= 8 naf= 8 nhs=18 ist= 2 ifin=17 PS0= 3.3700 d0[ 0]= 0.000 d0[ 1]= 0.500 d0[ 2]= 0.200 d0[ 3]= 0.100 d0[ 4]= 0.500 d0[ 5]= 0.550 d0[ 6]= 0.200 d0[ 7]= 0.010 d0[ 8]= 0.008 d0[ 9]= 0.010 d0[11]= 0.030 d0[12]= 0.200 d0[13]= 7.000 d0[15]= 0.800 d0[16]= 0.200 d0[17]= 0.400 d0[18]=100.000 37 tok piks ps 0.3 1 3.36212 0.5 1 3.36206 1.0 1 3.36193 2.0 1 3.36165 3.0 1 3.36138 4.0 1 3.36109 5.0 1 3.36089 6.0 2 3.36084 7.0 1 3.36082 8.0 1 3.36081 9.0 1 3.36080 10.0 1 3.36079 15.0 1 3.36077 20.0 1 3.36076 30.0 1 3.36075 50.0 1 3.36074 70.0 1 3.36073 99.0 1 3.36073 ugol -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 0.63 0.90 0.95 0.97 0.98 0.99 1.00 1.02 1.03 1.04 1.05 1.05 1.05 net 5.4 11.8 26.5 49.4 62.8 63.7 46.9 31.6 23.6 18.8 15.5 13.2 7.2 4.7 2.5 0.9 0.3 -0.1 lgain 8.3 14.7 29.2 51.9 65.1 65.7 48.5 33.0 24.9 20.0 16.7 14.3 8.3 5.8 3.6 2.0 1.4 1.0 lsub 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 ltop 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 loss 2.8 2.8 2.7 2.5 2.2 2.0 1.6 1.3 1.2 1.1 1.1 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 gamma 0.0061 0.0060 0.0056 0.0048 0.0039 0.0029 0.0017 0.0009 0.0006 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 alfa 1.0 1.1 1.3 1.9 4.5 -4.7 -0.6 -0.3 -0.3 -0.3 -0.4 -0.4 -0.6 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -0.9 B013 R05 2.7 9.0 2.8 9.0 3.0 8.7 3.5 8.1 4.3 7.5 5.8 7.2 7.2 6.6 6.7 6.9 7.2 6.9 7.1 7.2 7.0 7.5 6.8 7.2 6.3 7.8 6.2 7.8 6.1 8.1 6.1 8.1 6.0 8.4 6.0 8.4 R013 20.4 20.1 18.6 15.9 13.2 11.7 11.1 11.4 11.7 11.7 12.0 12.3 12.6 12.9 13.2 13.2 13.2 13.5 Для исследуемой гетероструктуры на основе использования описанной модели были построены картины ближнего и дальнего поля для различных значений токов. Ниже представлены картины ближнего и дальнего поля для тока 0,5А. Отличительной особенностью предложенных диодных лазеров является, несмотря на большие значения B013 и малые величины R05 и R013, одномодовый режим работы лазеров в вертикальной плоскости. Рис 2.5. Картина ближнего поля ГСОВ для тока 0.5A 38 Рис 2.6. Картина дальнего поля ГСОВ для тока 0.5A Полученные результаты сравнивались с представленными в Таблице 3 результатами расчета характеристик для обычной типовой гетероструктуры без вытекания (ГСБВ). Таблица 3 980-LAS-SOA-Simm, RES=300, nRES=10, R0=1, t=1, s=0.7 k[ 0]=M n[ 0]= 2.4000 l[ 0]=900000.0 k[ 1]=0,1e20 n[ 1]= 3.5250 l[ 1]= 30.0 k[ 2]=34,2e8 n[ 2]= 3.3400 l[ 2]= 14.0 k[ 3]=27,1e7 n[ 3]= 3.3780 l[ 3]= 7.0 k[ 4]=0, nd n[ 4]= 3.5250 l[ 4]= 4.0 k[ 5]=-20,nd n[ 5]= 3.6300 l[ 5]= 310.0 k[ 6]=0, nd n[ 6]= 3.5250 l[ 6]= 4.0 k[ 7]=-20,nd n[ 7]= 3.6300 l[ 7]= 310.0 k[ 8]=0, nd n[ 8]= 3.5250 l[ 8]= 4.0 k[ 9]=27,1e8 n[ 9]= 3.3780 l[ 9]= 3.0 k[10]=34,2e8 n[10]= 3.3400 l[10]= 6.0 k[11]=0,2e8 n[11]= 3.5250 l[11]= 6.0 d0[ 0]= 0.000 d0[ 1]= 0.100 d0[ 2]= 2.000 d0[ 3]= 0.750 d0[ 4]= 0.007 d0[ 5]= 0.008 d0[ 6]= 0.010 d0[ 7]= 0.008 d0[ 8]= 0.007 d0[ 9]= 0.750 d0[10]= 2.000 d0[11]=100.000 ksl=10 nas= 5 naf= 7 nhs=11 ist= 2 ifin=10 PS0= 3.3900 tok piks ps 0.3 1 3.37927 0.5 1 3.37916 1.0 1 3.37890 2.0 1 3.37838 3.0 1 3.37786 4.0 1 3.37734 5.0 1 3.37682 6.0 1 3.37631 ugol -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 net 7.4 20.7 53.2 116.3 176.6 234.3 289.3 341.8 lgain 12.7 25.9 58.5 121.5 181.9 239.6 294.6 347.1 lsub 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 ltop 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 loss 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 gamma alfa B013 R05 R013 0.0243 1.0 1.3 27.9 50.1 0.0242 1.0 1.3 27.3 50.1 0.0239 1.0 1.3 27.3 49.5 0.0232 1.1 1.4 27.3 49.5 0.0226 1.1 1.4 27.3 48.9 0.0220 1.2 1.4 26.7 48.3 0.0214 1.2 1.4 26.7 48.3 0.0208 1.3 1.4 26.7 47.7 39 7.0 8.0 9.0 10.0 20.0 30.0 1 1 1 1 1 1 3.37579 3.37528 3.37477 3.37426 3.36944 3.36529 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 -1.00 391.7 439.1 484.0 526.5 828.7 946.2 397.0 444.4 489.3 531.8 834.1 951.7 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 5.3 5.3 5.3 5.3 5.4 5.5 0.0202 1.4 0.0196 1.4 0.0191 1.5 0.0185 1.6 0.0136 2.9 0.0097 10.4 1.4 1.5 1.5 1.5 0.8 1.8 26.1 26.1 26.1 25.5 24.3 22.5 47.1 47.1 46.5 46.5 42.9 39.9 Для ГСБВ были также построены картины ближнего и дальнего поля для тех же значений токов. Анализ показал, что эти картины практически не отличаются друг от друга. В качестве примера ниже приведены картины ближнего и дальнего поля ГС-БВ для тока 0,5А. Рис. 2.7.Картина ближнего поля гетероструктуры ГСБВ для тока =0,5A Рис 2.8. Картина дальнего поля гетероструктуры ГСБВ для тока =0,5A 40 Сравнение результатов расчета характеристик гетероструктуры с односторонним вытеканием и гетероструктуры без вытекания показывает следующие основные существенные отличия: - размеры тела излучения на выходной грани (R013) предложенного нами диодного лазера с вытекающим излучением в оптическом резонаторе (ГСОВ) в 5-7 раз превышают аналогичный размер для обычного лазерного диода, изготовленного из ГСБВ; - угол расходимости лазерного излучения в вертикальной плоскости по уровню 0,5 (R05) и уровню е-2 (R013) для диодного лазера с вытекающим излучением примерно в 4 раза меньше аналогичных углов расходимости лазерного излучения для обычных диодных лазеров. Коэффициент “loss”, определяющий внутренние оптические потери, и соответственно наклонную эффективность, в отличие от обычных диодных лазеров для диодных лазеров с вытекающим излучением значительно уменьшается с возрастанием токов, и в области рабочих токов в более чем в 5 раз меньше, чем для лазеров, изготовленных из ГСБВ. Это важная особенность определяет потенциально более высокие значения эффективности диодных лазеров с вытекающим излучением. 2.6.Исследование зависимостей начальной плотности тока через диодный лазер, при которой возникает вытекающее излучение, от составов и толщин слоёв гетероструктуры Используя разработанную модель, было проведено исследование зависимости начальной (пороговой) плотности тока от составов и толщин слоёв гетероструктуры. Пороговая плотность тока оценивалась графическим решением следующего уравнения: net(jпор) = αout = 1/2L x ln (R1xR2)-1/2, где R1и R2 – коэффициенты отражений на гранях оптического резонатора, а L – его длина. 41 Пороговая плотность тока jпор определялась при оптимальных значениях R1=0,98, R2=0,03 для трёх значений длин оптического резонатора: L1= 1mm, L2= 2mm, L3= 4mm. При этом α1out =17,6 см-1, α2out = 8,8 см-1 и α3out =4,4 см-1. На Рис.2.9 показана зависимость результирующего модового коэффициента усиления “net”от тока j для двух вариантов гетероструктур. Точки пересечения двух изображенных на графике наклонных кривых с горизонтальными линиями, соответствующими различным значениям α1out, α2out и α3out, являются искомыми значениями порогового тока jпор. Рис.2.9. Графическое определение порогового тока Как видно из Рис.2.9, для двух приведенных лазерных гетероструктур, варьируя длинами L, можно получить приемлемые пороговые плотности токов jпор от значений 0,22А/cм2 - 0,27А/cм2, 0,31А/cм2 - 0,40А/cм2 до 0,50А/cм2 - 0,70А/cм2 для длин оптического резонатора, соответственно, L1= 1мм, L2= 2мм и L3= 4мм. 2.7. Исследование в широком диапазоне плотностей токов зависимостей углов расходимости выходного лазерного излучения от составов и толщин слоёв гетероструктуры Наряду с оценкой порогового тока, компьютерная программа позволяет рассчитывать угловые расходимости лазерного излучения: R05 - угол расходимости по уровню 0,5 и R013 - угол расходимости по уровню е-2 =0.135 (см. Таблицу 2 и Таблицу 3). 42 R05#gs1 R013#gs1 R05#gs2 30º 25º 20º R05, 15º R013 10º 5º 0º 0,3 0,5 Рис.2.10 На Рис.2.10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 tok, А/см2 Графики угловых расходимостей лазерного излучения представлены характерные зависимости углов расходимости лазерного излучения в вертикальной плоскости для одной из гетероструктур, рассчитанных нами для экспериментальной реализации. Для сравнения здесь же приведена зависимость угла расходимости по уровню 0,5 (R05) для приведенных выше гетероструктур типовых (обычных) диодных лазеров. Проведенные исследования показали, что варьируя составами и толщинами, в первую очередь, слоёв втекания лазерной гетероструктуры можно в широких пределах, вплоть до 20 – 50 уменьшать углы расходимости лазерного излучения в вертикальной плоскости. Зависимость углов расходимости от плотности протекающих токов j определяется также составами и толщинами настроечных слоёв гетероструктуры. 2.8.Оптимизация асимметричной лазерной гетероструктуры с односторонним вытеканием 43 Проведенные работы по моделированию гетероструктур для диодных лазеров с вытекающим излучением позволили осуществить оптимизацию составов и толщин слоев асимметричной лазерной гетероструктуры, а также размеров и коэффициентов отражения зеркал оптического резонатора активного элемента для достижения заданных пороговых плотностей токов, угловых и пространственных характеристик диодных лазеров нового типа с длиной волны 980 нм при одномодовом режиме генерации излучения в широком диапазоне рабочих токов. Результатом проведенной работы по оптимизации составов и толщин асимметричной лазерной гетероструктуры стали технические требования на изготовление гетероструктур с односторонним вытеканием. В качестве примера в Таблице 4 приведены технические требования на изготовление одной из гетероструктур. Таблица 4 Слой № Состав слоя 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 GaAs Al0,34Ga0,66As Al0,38Ga0,62As Al0,38Ga0,62As Al0,30Ga0,70As Al0,30Ga0,70As GaAs In0,20Ga0,80As GaAs Al0,30Ga0,70As Al0,30Ga0,70As Al0,30Ga0,70As Al0,32Ga0,68As Al0,32Ga0,68As Al0,34Ga0,66As GaAs (буферный слой) GaAs: Si Подл ожка Толщина слоя, мкм Концентрация носителей, см-3 Тип носителя 0,5 0,2 0,1 0,5 0,55 0.05 0,015 0,008 0,015 0,03 0,20 7,0 0,8 0,2 0,4 0,5 1E+20 4E+18 2E+18 5E+17 1E+18 н/л н/л н/л н/л н/л 1E+18 1,5E+17 1,5E+17 1E+18 2E+18 2E+18 P++ P++ P+ P Р+ N+ N N N N+ N+ Zn Zn Zn Zn Zn Si Si Si Si Si Si 300…350 1..2E+18 N Si Примеси Примечания. 1. Требования к подложкам n-типа GaAs: Толщина - 300 … 350 мкм; 44 Диаметр – 2 дюйма ; Плоскостность и качество поверхностей подложки соответствует требованиям процесса MOCVD; Концентрация электронов - 1… 2Е+18 см– 3 ; Плотность дислокаций травления – менее 103 см - 2; Ориентация поверхности (100) ) ± 0,5º. 2. Требования к ГС: Плотность дислокаций травления – менее 103 см – 2. Допуска: на содержание Al в слоях – ±3%; на концентрацию носителей в слоях – ±20%; на толщины слоев 8-12 – ±3%, остальных слоев - +10%. При выращивании ГС поддерживаются оптимальные условия роста, при которых обеспечивается максимальная интенсивность люминесценции из активного слоя. Содержание In в активном слое 9 соответствует длине волны лазерной генерации при комнатной температуре в пределах от 972 нм до 978 нм. Глава 3. Новые полупроводниковые лазеры с вовлечённым в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области Как уже отмечалось полупроводниковые лазеры – компактные и эффективные диодные преобразователи энергии электрического тока в лазерное излучение – стали 45 ключевыми и незаменимыми элементами в таких современных достижениях цивилизации как оптические телекоммуникации, устройства оптической памяти, волоконные и твердотельные лазеры, лазерная печать, лазерная медицина, обработка материалов и многое другое (подробнее см. Главу 4). Самые распространённые современные торцевые полупроводниковые лазеры (или диодные лазеры, сокр. ДЛ) имеют один существенный недостаток – малый размер излучающей площадки на выходной грани в вертикальной плоскости. Обычно этот размер около 1 мкм и меньше8. Это принципиальное для ДЛ обстоятельство определяет высокую плотность лазерного излучения на его выходной грани и большую расходимость лазерного излучения в вертикальной плоскости. Высокая плотность излучения ограничивает величину выходной мощности из-за катастрофического разрушения грани и существенно снижает надёжность и ресурс работы ДЛ для режимов его работы, приближающихся к предельным плотностям мощности излучения на выходном зеркале. Так, для одномодового ДЛ при типичной ширине полоска w = 3 мкм и предельной плотности мощности разрушения грани (без упрочняющих покрытий) pпред ≈ 1х106 Вт/см2, максимально достижимая мощность излучения оценивается 30 мВт, для многомодового ДЛ с w = 100мкм – 1 Вт. Углы расходимости θ┴ в вертикальной плоскости (по уровню 0,5) обычно находятся в пределах 250 – 450, что часто усложняет конструкцию приборов и приводит к заметным потерям при вводе излучения как в одномодовое, так и в многомодовое волокно. В связи с этим преодоление указанного выше недостатка ДЛ, т.е. увеличение размера излучающей площадки на выходной зеркальной грани в вертикальной плоскости, имеет большую практическую значимость. Известны немногочисленные работы, в которых предложены и реализованы ДЛ с увеличенным размером выходной излучающей площадки при использовании вытекающего излучения. Общим в этих ДЛ является то, что лазерная генерация в них развивается как и в обычных торцевых ДЛ (в тонкой волноводной активной области), а вытекающее в полупроводниковую подложку излучение используется непосредственно для его вывода. Несмотря на достигнутую высокую направленность выходного излучения (например, θ┴ равное 1,2˚ 8 9 9 и θ┴ равное 0,45˚ 10), этим ДЛ присущи следующие недостатки: Welch D.F., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 6, 1470, 2000 Звонков Н.Б., Звонков Б.Н., Ершов А.В., Ускова Е.А., Максимов Г.А., Квантовая электроника, 25, 622, 1998 46 - использование подложки в качестве области втекания приводит к ограничениям как в выборе лазерных длин волн (из-за требования прозрачности подложки), так и при выборе необходимых углов вытекания, особенно в области их малых значений, - наличие на одной грани расположенных рядом излучений, наклонного вытекающего и торцевого расходящегося, приводит к снижению эффективности ДЛ из-за технологической трудности разделения этих излучений. Нами разработаны новые конструкции ДЛ, в которых заложены описанные выше принципы вовлечения в лазерную генерацию излучения, вытекающего при определённых условиях из активной области (оптического волновода)11. Эти конструкции ДЛ с вытекающим излучением в оптическом резонаторе (далее, сокращённо, ДЛ-ВИОР), наряду с их другими достоинствами, обеспечивают многократное увеличение размера излучающей площадки на выходной поверхности ДЛ. Далее изложены основные особенности одной из таких реализованных конструкций ДЛ-ВИОР и приведены первые результаты измерения их основных параметров. 3.1. Принцип работы ДЛ-ВИОР Схематическое изображение одной из возможных простейших конструкций гетероструктуры для ДЛ-ВИОР с длинами волн в диапазоне примерно от 900 до 1100 нм представлено на Рис.3.1. Активная область этой гетероструктуры состоит из двух активных квантоворазмерных слоёв 1 и 2 из InGaAs и трёх барьерных слоёв 3, 4 и 5 из GaAs. Со стороны p-типа на барьерном слое 4 расположен ограничительный слой 6 из AlxGa1-xAs, к которому примыкает сильнолегированный контактный слой 10 р+-типа GaAs. Со стороны n-типа барьерный слой 5 граничит со слоем втекания 7 AlуGa1-уAs, имеющим, как правило, наибольшую толщину (примерно 3…-10 мкм и более). Далее на подложке 9 n-типа GaAs размещён отражательный (для вытекающего излучения) слой 8 из AlxGa1-xAs. Для состава слоя втекания выполняется условие у < х. 10 Швейкин В.И., Богатов А.П., Дракин А.Е., Курнявко Ю.В., Квантовая электроника, 26, 33, 1999 11 Швейкин В.И., Патент РФ на изобретение «Инжекционный лазер» № 2142665 (10.08.1998). Швейкин В.И. Международная заявка «Инжекционный лазер», PCT/RU99/00275 (публикация № WO00/10235 от 24.02.00) и дополнение от 5 июня 2000г. 47 Рис 3.1. Схема простейшей гетероструктуры для ДЛ ВИОР: (1,2) - активные InGaAs слои, (3-5) - барьерные GaAs слои, (6) – ограничительный p-слой, (7) – слой вытекания, (8) – отражательный n-слой для вытекающего излучения, (9) – контактный p+-слой, (10) – n-GaAs подложка. Несмотря на внешнюю схожесть обычных лазерных гетероструктур с гетероструктурами для ДЛ-ВИОР, радикальное отличие между обычными современными ДЛ и ДЛ-ВИОР состоит в том, что если в первых вытекающее излучение снижают до практически незначительных величин (поскольку они являются потерями лазерного излучения), то в ДЛ-ВИОР, напротив, в области рабочих токов контролируют достаточно высокий уровень вытекания излучения из активного слоя в слой втекания. Этот контроль осуществляется таким выбором состава и толщин слоёв лазерной гетероструктуры, в том числе и слоя втекания, при котором, по крайней мере в заданном интервале токов, выполняется условие: показатель преломления слоя втекания nвт превышает эффективный показатель преломления nэф для всех слоёв гетероструктуры [3,4]12. При этом вытекающее излучение, распределённое по всей поверхности активного слоя (а, следовательно с малым углом расходимости), будет втекать в слой втекания вдоль продольной оси оптического резонатора под определёнными углами расходимости φ=±cos(nэф/nвт) в двух противоположных направлениях. В рассматриваемом здесь случае, когда выполняется условие: tgφ в несколько (два-три и более) раз больше, чем отношение толщины слоя втекания dвт к длине оптического резонатора Lрез, вытекающее излучение многократно отражается в вертикальной плоскости от ограничительного и отражающего слоёв, а также от зеркал оптического резонатора (с коэффициентами отражений R1 и R2), в результате чего в ДЛ-ВИОР формируется излучение в виде волноводной моды. Выходное излучение при этом будет направлено примерно под прямым углом к плоскости выходной оптической грани, а диаграмма его направленности будет зависеть, главным образом, от номера возбуждённой моды и от толщины слоя втекания. Для практических применений часто требуется получение нулевой (основной) моды. Фундаментальной особенностью представляемых здесь ДЛ-ВИОР является то, что устойчивый контроль основной моды в них возможен при больших значениях толщины слоя втекания, вплоть до, по крайней мере, экспериментально проверенных нами значений 10мкм. Это позволило многократно (до 10мкм) увеличить размер выходной апертуры при 12 Швейкин В.И., Богатов А.П., Дракин А.Е., Курнявко Ю.В., Патент РФ на изобретение «Инжекционный лазер» № 2133534 (08.08.1997) 48 сохранении основной моды лазерного излучения в вертикальной плоскости и получить при этом угол расходимости излучения θ┴ в вертикальной плоскости равным 6,9˚. В известных ДЛ с расширенным волноводом13 уже при ширине волноводного слоя, превышающей 1 мкм, возникают моды высоких порядков. Такое существенное отличие объясняется принципиально другим механизмом формирования мод в ДЛ-ВИОР, а именно: индекс (номер) возбуждаемой моды жёстко определяется определёнными значениями угла вытекания φ. Этот угол, в свою очередь, зависит от толщины слоя втекания. Для создания эффективных ДЛ-ВИОР с качественным излучением необходимо контролировать токовую зависимость коэффициента локализации Γ оптического излучения в активном слое. При малых плотностях токов для обеспечения низких порогов лазерной генерации желательно, чтобы доля этого излучения, определяемая Γ, была относительно велика, т.е. сравнима с величиной Г для обычных ДЛ. При этом вытекающее излучение может быть незначительным или даже практически отсутствовать. После достижения порогового тока генерации в остальном диапазоне рабочих токов достаточно только поддерживать достигнутый пороговый уровень излучения в активном слое. Здесь вытекающее излучение будет возрастать с увеличением надпорогового тока, и достаточном превышении порога генерации доля при выходящего из слоя втекания излучения в полном выходном излучении будет превалирующей. 3.2. Экспериментальное изготовление ДЛ-ВИОР Основное внимание при экспериметальном осуществлении новых ДЛ-ВИОР было сосредоточено на получении лазерного излучения с длиной волны в области 980 nm. Этот диапазон длин успешно используется для создания диодных модулей накачки волоконных усилителей и лазеров. Гетероструктуры для ДЛ-ВИОР на подложках из n-GaAs были изготовлены методом MOCVD c пониженным давлением. Предварительно перед выращиванием гетероструктуры проводились численные расчёты, обеспечивающие выполнение приведенных выше условий по вытеканию излучения в ДЛ-ВИОР. Оба напряжённых квантоворазмерных аетивных слоя были выращены толщиной 8 нм 13 Garbuzov D.Z. et al, Journal of Quantum Electronics, 33, 2266, 1997 49 и имели состав In0,20Ga0,80As. Барьерный слой между ними имел толщину 12 нм. Ограничительный и отражательный слои, соответственно, р- и n-типа имели один и тот же состав Al0,3Ga0,7As и одну и ту же толщину 1мкм. Слой втекания n-типа был выращен из нелегированного n-типа Al0,21Ga0,79As толщиной 5мкм. Толщина сильнолегированного контактного слоя (p+-тип GaAs) была равна 0,1 мкм. Активный элемент (чип) ДЛ-ВИОР был полоскового типа (ridge type) и изготавливался ионным травлением с последующим заращиванием вытравленных боковых областей полуизолирующим селенидом цинка [11]. Ширины накачиваемых током полосок были выбраны равными 6, 10, 15, 20, и 50 мкм. Омические контакты к p-типу формировались лазерным распылением тонких слоёв Ni, легированного Zn, затем барьерных слоёв Mo-Ti-Ni c последующим термическим напылением Au. Омические контакты к подложке n-GaAs были получены обычным способом – термическим распылением Ge-Au. Сборка ДЛ-ВИОР проводилась стандартным способом. Активные элементы ДЛ-ВИОР напаивались с использованием индиевого припоя на медную пластину размером 2х3х4 мм3, которая устанавливалась в цилиндрический корпус диаметром 11 мм. Корпус механически был прикреплён к теплоотводящей массе. Все измерения ДЛ-ВИОР проводились в непрерывном режиме работы без использования принудительного охлаждения. Сначала были изготовлены и исследованы образцы ДЛ-ВИОР с шириной полоска w = 50мкм. Для четырёх групп этих образцов на одну сколотую грань было нанесено глухое отражающее покрытие с R1≈95%, а на другую, соответственно, с R2=3%, 10%, 30%(нейтральное покрытие) и 80%. Пятая группа образцов не имела покрытий на зеркальных гранях, в этом случае R1=R2 ≈ 30%. В каждой группе были изготовлены ДЛ-ВИОР с длинами оптического резонатора Lрез, равными 600, 1000 и 1600 мкм. На этих образцах были измерены ВаттАмперные характеристики (ВТАХ), Вольт-Амперные характеристики (ВАХ) и распределение излучения в дальнем поле (ДП) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Пороговые плотности токов jпор для большинства измеренных образцов находились в пределах от 200 до 330 А/см2. Наклонная эффективность ηd в первых трёх группах образцов находилась в пределах от 52% до 79%, а в 4-й группе с R2=80% – около 33%. ВТАХ двух образцов ДЛ-ВИОР с w = 50 мкм, Lрез=1600 мкм и R2=10% приведены на Рис.3.2. От образца 1 получена мощность излучения Р = 3 Вт. Загиб 50 ВТАХ при токах более 2 А связан с тепловым перегревом. Измерения мощности для образца 2, собранного в отличие от образца 1 гетероструктурой вверх, были проведены только до 2 Вт. на медную пластину Наряду с большими значениями полученной мощности здесь следует отметить полезную особенность ДЛ-ВИОР – сниженный (в сравнении с ДЛ) нагрев активной области при сборке чипа гетероструктурой вверх. Рис. 3.2. ВТАХ двух образцов ДЛ-ВИОР. Образец 2, в отличие от образца 1, собран на медную пластину гетероструктурой вверх Дальнее поле излучения в вертикальной плоскости для ДЛ-ВИОР без покрытий носит необычный вид (см. Рис.3.3,а). Нанесение на одну грань глухого отражающего покрытия с R1≈95% для всех измеренных образцов приводило к сглаживанию картины излучения (см. Рис.3.3,б). При этом для всех измеренных образцов в зависимости от значений Lрез или R2 угол расходимости θ┴ находился в пределах от 11,07˚ до 12,3˚. Для этих ДЛ-ВИОР с w = 50 мкм отмечена также очень слабая зависимость угла θ┴ (по уровню 0,5) от величины излучаемой мощности (см.Рис.3.4), в то время как угол расходимости θ= (по уровню 0,5) в горизонтальной плоскости, напротив, возрастал с увеличением мощности излучения от 3,28˚ при 100мВт до 7,8˚ при 800мВт (см.Рис.3.5). Картины дальнего поля в вертикальной и горизонтальной областях (см. Рис.3.4 и Рис.3.5) свидетельствуют о том, что ДЛ-ВИОР с w = 50 мкм, по крайней мере, до 100 мВт мощности генерируют лазерное излучение в одной пространственной моде. Рис.3.3. Дальнее поле излучения в вертикальной плоскости для ДЛ-ВИОР с w=50мкм: а) без покрытий, б) с нанесением на одну грань отражающего покрытия с R1≈95% Рис.3.4. Дальнее поле излучения в вертикальной плоскости для ДЛ-ВИОР с w=50мкм Lрез = 1600 m и R2=10% для выходных мощностей 100 и 800 mW Рис.3.5. Дальнее поле излучения в горизонтальной плоскости для ДЛ-ВИОР с w=50мкм Lрез = 1600 m и R2=10% для выходных мощностей 100 и 800 mW 51 Анализ зависимостей ln(R1хR2)-0,5, а 1/ηd от αout и jпор от (1/αout) , (где αout = (1/Lрез) х ηd - дифференциальная эффективность) позволил оцененить внутренние параметры ДЛ-ВИОР, а именно внутреннюю квантовую эффективность ηi, оптические нерезонансные потери αi и (2j0+jут), где j0 – плотность тока инверсии носителей в одной квантовой яме, а jут - возможная плотность надбарьерного тока утечки. Эти внутренние параметры были получены, соответственно, равными 87%, 3,0±1,0 см-1 и 101 А/см2. Полученная величина αi=3,0см-1 свидетельствует о невысоком качестве выращенной гетероструктуры и определила недостаточно высокие значения ηd для рассматриваемых ДЛ-ВИОР. Приведенные дифференциальные сопротивления диодов (рассчитанные на основе ВАХ в интервале токов 0,4-1,4А) были получены равными измерений 1,24х10-4 ом۰см2. На Рис.3.6 приведены двух ВТАХ для ДЛ-ВИОР с шириной полосковой области w = 10мкм. Коэффициенты R1 и R2 были, равны соответственно, 95% и 7%, а Lрез=1600 мкм. Выходные мощности были значений измерены Р (образец 3) и = до 1 Вт Р = 1,3 Вт (образец 4). Пороговый ток jпор для образца 3 был равен 70 мА, а максимальная Рис.3. 6. Ватт-амперные характеристики для двух ДЛ-ВИОР с шириной полосковой дифференциальная области w = 10мкм, R1 =95%, R2 =7%, эффекивность ηd = 58%. В Lрез=1600 мкм. отличие от ранее рассмотренных ДЛ-ВИОР (с w = 50мкм) в данном случае угол расходимости θ┴ возрастал с увеличением мощности излучения от 100 мВт до 52 1000 мВт в пределах от 11,5˚ до 12,3˚. ДЛ-ВИОР устойчиво генерировали на одной пространственной моде вплоть до мощности 0.5 Вт. При изменении мощности от измеренных 50 мВт до 500 мВт расходимость излучения является дифракционной, а угол θ= возрастает от 3,3˚ при 300 мВт до 5,7˚ при 500 мВт (см. рис.3.7а,б). При дальнейшем увеличении мощности вплоть до 1 Вт одна мода по поперечному индексу в вертикальной плоскости сохраняется при увеличении θ┴ до 12,3˚, а в горизонтальной плоскости (см. рис.3.8а,б) возникает «слабая игра мод», при которой угол θ= увеличивается до 7,0˚ (т.е. примерно на 13%). Рис.3.7. Дальнее поле излучения в горизонтальной плоскости для ДЛ-ВИОР с w=50мкм, Lрез= 1600 m , R1=95%, R2=7% для выходных мощностей от 50 до 300mW (а) и 500 mW (в) Рис.3.8. Дальнее поле излучения в горизонтальной плоскости для ДЛ-ВИОР с w=50мкм, Lрез= 1600 m , R1=95%, R2=7% для выходных мощностей 900mW (а) и 1000mW (в) Были также изготовлены ДЛ-ВИОР с длиной волны лазерного излучения 915 нм. Основные особенности гетероструктр для этих ДЛ-ВИОР состояли в том, что слой втекания был выращен из Al0,30Ga0,70As и его толщина была увеличена до 7 мкм, а ограничительный и отражательный слои был выращены из Al0,60Ga0,40As. Ширина полосков активного элемента была выбрана примерно равной толщине слоя втекания, а именно, 7,5мкм, длина Lрез=1000 мкм, коэффициенты R1 и R2 были, соответственно, равны 95% и 5%. На Рис.3.9 приведена ВТАХ для этих ДЛВИОР. Мощность излучения, полученная от этих ДЛ-ВИОР, была равна 1 Вт. Пороговый ток был относительно высоким и равен 204мА (jпор=2,7кА/см2). В то же время были получены высокие значения дифференциальной эффективности η d, близкие к предельным вплоть до мощностей 500 мВт, после чего наблюдалось некоторое снижение ηd примерно до 85% при мощности Р = 1 Вт. При этом во всём диапазоне мощностей была получена устойчивая генерация основной моды по 53 поперечному индексу в вертикальной плоскости, в то время как устойчивый режим генерации одной пространственной моды в горизонтальной плоскости для этих ДЛВИОР имел место вплоть до 500 мВт. Угол θ┴ при этом изменялся от 9,0˚ при 100 мВт до 11,9˚ при 500мвт (см. рис.3.10), а угол θ= – от 4,1˚ при 50 мВт до 5,7˚ при 500 мВт (см. рис.3.11). При измерении спектрального состава излучения этого ДЛВИОР было обнаружено, что в измеренном интервале мощностей от 100 мВт до 500 мВт он генерирует в одночастотном режиме. Длина волны излучения при этом увеличилась от 916,4 нм при 100 мВт до 925,0 нм при 500 мВт. Рис.3.9. Ватт-амперная характеристика для ДЛ-ВИОР с длиной волны 915nm, din=7мкм, w=7.5мкм, Lрез=1600мкм R1 =95%, R2 =5% Рис.3.10. Дальнее поле излучения в вертикальной плоскости для ДЛ-ВИОР с длиной волны 915nm для выходных мощностей от 100mW до 500mW Рис.3.11. Дальнее поле излучения в горизонтальной плоскости для ДЛ-ВИОР с длиной волны 915nm для выходных мощностей от 100mW до 500mW Рис.3.12. Дальнее поле излучения для ДЛ-ВИОР с длиной волны 980nm, din=w=10мкм, Lрез=1600мкм, R1 =95%, R2 =12% для P=400мкм в горизонтальной и вертикальной плоскостях Наименьший угол расходимости θ┴ в вертикальной плоскости, равный 6,9˚ (Рвых = 400мВт при Jраб=1,47А, см.Рис.3.12), был достигнут нами для ДЛ-ВИОР с длиной волны излучения 980 нм, изготовленных с размерами dвт = w = 10 мкм. Эти ДЛ-ВИОР, несмотря на большой пороговый ток Jпор=1,07 А (jпор=6,75кА/см2), также устойчиво генерировали в одной пространственной моде вплоть до Р вых = 500мВт и имели большую величину ηd = 80%. Причиной высоких jпор этих ДЛ-ВИОР может быть как неоптимальная гетероструктура, так и неоптимальная конструкция «ridge». 54 Глава 4. Обзор и прогноз рынка диодных лазеров В настоящее время, по данным зарубежных аналитиков, на мировом лазерном рынке происходит оживление, однако, чтобы достичь заметного роста в сфере высоких технологий, в частности, в лазерной промышленности, требуется время. Журналом “ The Laser Focus World” совместно с компанией Strategies Unlimited, занимающейся исследованием рынка оптоэлектроники и расположенной в Mountain View, Калифорния, подготовлен обзор развития зарубежного рынка диодных лазеров за 2004 год и прогноз на 2005 год14. Спустя два года постоянных спадов, рынок диодных лазеров успешно возродился в 2003 году (рост составил 18% и достиг 3.07 миллиардов долларов), в 2004 году объем продаж вырос на 10% и достиг 5.4 миллиардов долларов. Это произошло, несмотря на тот факт, что рынок телекоммуникационных технологий вырос первый раз с 2000 года, и курс йены по отношению к доллару увеличился на 7%. Обычно это является положительным толчком к росту, выраженному в долларах (так как большинство лазеров для рынка оптической памяти, составившим в 2004 году 58% от всего рынка диодных лазеров, производится и продается в Японии). Рынок лазеров для оптической памяти в 2004 году остался прежним, даже при том, что увеличилось поштучное количество продаж. Основная причина отсутствия роста – существенное понижение цен на диодные лазеры во всех сегментах рынка оптической памяти. В действительности, одним из наиболее интересных направлений, характеризующих рынок диодных лазеров в 2004 году, стало существенное понижение цен почти на все категории лазерной продукции. На некоторую продукцию, например, 780-нм и 650-нм лазеры для оптического хранения, телекоммуникационные лазеры, VCSELs для передачи данных и др., цены снизились на 25-30%. Причины этому различны и уникальны для каждого отдельного типа лазеров. Однако все они зависят или от конкурентной борьбы, или от ожиданий потребителей, или от обоих факторов. 14 Laser Focus World. Review and forecast, part 2: Diode lasers – February, 2005 55 Изменение за последние годы рынка диодных и твердотельных лазеров показано на рис.4.1. Рис. 4.1 Мировой рынок лазеров Данные о продажах диодных лазеров за период 1996-2005 годы представлены на рис. 4.2, а на рис. 4.3 представлены подробные данные о продажах различных типов диодных лазеров в 2004 году и прогноз на 2005 год. Рис 4. 2 Продажа диодных лазеров по типу применения: телекоммуникации, оптическая память и другие Рис 4. 3 Продажа различных типов диодных лазеров Представленные на рис. 4.1 данные включают прогноз на 2005 год и ясно показывают продолжение возрождения рынка диодных лазеров после спада в 2000 году. В 2002-2004 годах рынок возвратился к чему-то похожему на «нормальный» 56 рост. Главное отличие от предыдущих лет (1996-2001гг.) состоит в том, что оптическая память стала самой большой областью применения, в то время как раньше главной областью применения были телекоммуникации. Однако в 2004 году рынок лазеров для телекоммуникаций начал возрождаться и внес свой вклад в рост общего рынка. Средний уровень рыночного роста за 1996-2005 гг. составил приблизительно 9% в год. В 2005 году прогнозируется дальнейший рост во всех областях применения, включая телекоммуникации. Прогнозируемый рост телекоммуникационных применений диодных лазеров составляет 20%. Эта область станет лидирующей, в то время как рынок лазеров для оптической памяти вырастет только на 9%. В общем, в 2005 году прогнозируется рост рынка диодных лазеров на 12% до 3.58 миллиардов долларов (что близко к средним историческим показателям). Остановимся подробнее на ситуации, сложившейся в настоящее время в различных областях применения диодных лазеров. 4.1. Системы оптической памяти В эту категорию включены диодные лазеры, используемые в таких приборах, как CD- и DVD-плейеры, оборудование для изготовления шаблонов дисков, магнитооптические и оптические ROM, голографические запоминающие устройства. В 2003 году, как и в 2002 году, диодные лазеры, используемые в различных видах оптической памяти (CD- плейеры, CD-ROM –драйверы, CD-RW-драйверы, DVD-плейеры, DVD-записывающие устройства и так далее) – были основным источником роста рынка диодных лазеров. В целом, рынок лазеров для оптической памяти вырос с 1,40 миллиардов долларов и 477 миллионов штук в 2002 году до 1,87 миллиардов долларов и 531 миллионов штук в 2003 году, что соответствует росту доходов от продаж на 34% и росту в штуках на 11%. Рост доходов превысил рост в штуках из-за более высоких цен и темпов роста лазеров видимого диапазона (650нм), используемых в DVD-драйверах, по сравнению с лазерами на 780нм, используемыми в CD-драйверах. Рынок лазеров видимого диапазона вырос с 513 миллионов долларов в 2002 году до 911 миллионов долларов в 2003 году, что составило 78% После нескольких лет лидерства в 2004 году рынок оптической памяти пришел к спаду. В целом, рынок лазеров для оптической памяти остался на уровне 1.84 57 миллиардов долларов (по сравнению с 1.87 миллиардами в 2003 году). Количество продаж поштучно увеличилось на 6% до 644 миллионов из-за продолжающейся популярности DVD-драйверов (читающих и записывающих). Однако понижение цен в 2004 году было очень значительным из-за понижения курса йены на 20-25%. Рост доходов превысил рост производства из-за более высоких цен и более высокого уровня роста видимых (650-нм) лазеров, используемых в драйверах DVD-типа, по сравнению с 780-нм лазерами, используемых в драйверах CD-типа. Рынок видимых лазеров, применяемых для DVD, рос гораздо быстрее, чем рынок 780-нм лазеров. Ожидается, что в 2005 году продажи 650-нм лазеров впервые превысят продажи 780-нм лазеров и составят 342 миллиона и 329 миллионов, соответственно. Спад на рынке 780-нм лазеров произошел благодаря уменьшению количества продаж CD-ROM драйверов, которые заменяются DVD-ROM драйверами. Все возрастающая популярность DVD плееров и различных вариантов записывающих DVD драйверов (DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM и т.д.) – это главный двигатель рынка диодных лазеров для оптической памяти. Стоимость DVD плееров упала до уровня 100 долларов, а иногда и ниже, и DVD стал основным товаром на рынке домашнего видео, как в аренде, так и в розничной продаже. Проникновение DVD плееров в американские дома превысило 50%, их популярность также растет и в других странах мира. После высокого уровня роста, рынок DVD плееров и DVD-ROM драйверов достиг своего максимума и после 2005 года будет стабилен. Однако продолжается существенный рост рынка записывающих DVD плееров для домашнего видео и персональных компьютеров. Прогнозируется, что в 2005 году рынок лазеров для оптического хранения вырастет на 9% и составит 2.01 миллиардов долларов, с очень небольшим влиянием от продаж 405-нм лазеров. Главным фактором роста рынка оптической памяти в 2004 году был стремительный рост записывающих DVD драйверов. Хотя цены на эти драйверы были высокими, они начали существенно снижаться в 2004 году. К концу года стоимость отдельных драйверов для массовой видеозаписи упала ниже 400 долларов, и ожидается, что в 2005 году цены упадут еще больше. В результате в 2004 году проникновение на рынок домашней видеозаписи было довольно оживленным. Главным же фактором роста рынка стало включение перезаписывающих DVD драйверов в персональные компьютеры. Эти драйверы начали заменять CD-RW драйверы в качестве стандартного оборудования для компьютеров, и оцениваются в пределах 200 долларов. 58 Хотя многочисленность записывающих DVD форматов была фактором сдерживания рынка, проблема совместимости различных типов записывающих DVD драйверов стала толчком для развития многоформатных драйверов. Во второй половине 2002 года производители записывающих DVD выпустили серию многоформатных драйверов, в основном двух типов. Первый тип – DVD-Мультисогласованный драйвер поддерживает стандарты DVD±R, DVD-RAM и DVD±RW, специфицированные DVD Форумом; второй тип – DVD+RW драйвер, поддерживающий DVD-RW и DVD+RW форматы для записи и воспроизведения. Hitachi-LG Data Storage Co. сделала первый шаг, выпустив в конце мая 2002 года DVDМульти драйвер для использования в персональных компьютерах. Во второй половине 2002 года DVD-Мульти драйверы уже выпускались такими компаниями, как Matsushita Electric, Samsung Electronics и Toshiba, в то время как NEC, Sanyo Electric, Sony и другие производили DVD±RW драйверы. Внедрение этих драйверов послужило толчком к бурному росту рынка в 2003 году. Потенциально большой новостью в оптической памяти за 2003 год стало давно ожидаемое коммерческое внедрение следующего поколения DVD записывающих устройств с высоким разрешением (HD-DVD), использующих 405-нм диодные лазеры. На выставке Sony Dream World 2002, проведенной в сентябре, фирма Sony открыла прототип своего Blu-ray Disc записывающего устройства. На CEATEC Japan Show (ежегодная выставка электроники в Японии) в Токио в октябре 2002 года несколько членов Blu-ray Disc Консорциума (Hitachi, Matsushita, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp и Sony) представили прототипы своих высокоплотных DVD записывающих устройств. Toshiba также показала свою версию, основанную на конкурирующем 0.6-мм формате, разработанном компаниями Toshiba и NEC. В апреле 2003 года фирма Sony сообщила о выпуске первой коммерческой версии Blu-ray Disc записывающего устройства, названного BDZ-S77. Предлагаемая Sony отпускная цена была 3.800 долларов. BDZ-S77 включает в себя тюнер для цифрового радиовещания и может записывать высокоточное телевизионное (HDTV) форматированное видео в течение примерно двух часов. BDZ-S77 не способен только записывать/воспроизводить перезаписываемые Blu-ray Disc носители, но может заново воспроизводить DVD-видео и DVD-RW диски, DVD-R диски, музыкальные CDs и CDR/RW диски. Sony также сообщила о выпуске 23-Гигабайтного перезаписываемого носителя. Его цена была 30 долларов. В дополнение к этому 23-Гигабайтному носителю будут 59 выпущены однослойные носители на 25 и 27 Гигабайт и односторонние двухслойные носители. Для BDZ-S77 Sony разработала оптический адаптер, основанный на 30-мВт, 405нм лазерном диоде фирмы Nichia. Адаптер использует круглую призму для создания почти круглого луча и имеет объектную линзу с NA равной 0.85, а также одноосевой двигатель для корректировки сферической аберрации, вызванной неравной толщиной защитного слоя диска. Второй адаптер, работающий на внедренном 650-нм/780-нм лазерном источнике, используется для чтения CD и DVD носителей. В начале апреля 2003 года Sony сообщила о внедрении Blu-ray Disc драйвера оптической памяти на профессиональный рынок сохранения данных. Драйвер предназначен для профессионального применения, как, например, для отображения документов и медицинских данных, архивирования электронной почты, мультимедийных проектов, графического дизайна и аудио/видео редактирования. Хотя эти многофункциональные оптические записывающие устройства вызвали много восхищения, в 2003 и 2004 году их продажи были незначительными, возможно, порядка несколько тысяч штук. Рынку потребуется несколько лет для развития и для того, чтобы цены значительно упали (как случилось с первыми DVD записывающими устройствами, представленными в 1998 году). В 2003 году самая большая часть рынка диодных лазеров, используемых в драйверах оптической памяти (1.87 миллиардов долларов, что составляет 57%), пришлась на 780-нм лазеры для CD плееров, CD-ROM драйверов, CD-RW драйверов и MiniDisc плееров. Однако рынок видимых (650-нм) лазеров, используемых в драйверах DVD типа, растет быстрее всего и через несколько лет должен перегнать 780-нм лазеры. Лазеры с более короткой длиной волны (405-нм) для HD-DVD драйверов, вероятно, не внесут значительный вклад в развитие рынка до 2005 года и далее. 4.2.Телекоммуникации Эта категория включает все лазеры, используемые в системах телефонии, кабельного телевидения и для накачки (например, в оптических усилителях). В 2003 году после двух лет спада рынок лазеров для волоконно-оптических телекоммуникаций, по-видимому, достиг своего самого низкого уровня, но во второй половине года поставщики лазеров сообщили об оживлении продаж. Общий объем 60 продаж для передающих лазеров и лазеров для накачки в системах связи достиг приблизительно 780 миллионов долларов, что отражает сокращение рынка примерно на 10%, по сравнению с 2002 годом. В 2004 году рынок лазеров для телекоммуникаций (как передающих лазеров, так и лазеров накачки), наконец, впервые после 2000 года вырос на 21% и достиг 943 миллионов долларов. На 31% возросло количество поставок передающих лазеров из-за увеличивающегося спроса на телекоммуникационный трафик. Цены на специфическую продукцию продолжали падать в 2004 году, хотя и не так быстро, как в предыдущие годы. Ожидается, что в 2005 году цены стабилизируются. Доходы от продаж передающих устройств возросли почти на 20% в 2004 году и составят около 20% в 2005 году. С другой стороны, такой рост не сможет сохранить большое количество конкурентов на рынке. Некоторые компании уже потеряли десятки миллионов долларов за квартал, и утверждают, что они работают всего на 10% от их возможностей. Ожидается, что в 2005-2006 гг. произойдет некоторая перестановка на рынке телекоммуникационных компонентов. Продажи передающих лазеров растут, отображая увеличение спроса на телекоммуникационный трафик, но цены продолжают падать так же ступенчато, как и раньше. Этому есть несколько причин, в том числе значительная доля продаж в Азию с большими скидками. Цены должны стабилизироваться в 2005 году, но останется очень большое количество производителей. В этом секторе рынка свою продукцию предлагают более 40 компаний, и только несколько компаний слились или закрылись. В некоторых крупнейших компаниях поменялось руководство отделений по производству лазеров (например, приобретение TriQuint оптоэлектронной лаборатории Agere; приобретение Bookham производства компонентов Nortel и продажа Alcatel Optronics компании Avanex), но основное производство и маркетинговая деятельность продолжились и при новом собственнике. Ситуация на рынке лазеров накачки для оптических усилителей многообещающая. В 2003 году продажи поштучно выросли и достигли уровня 19971998гг., а цены продолжили падать и составляют менее 3 долларов за милливатт (по сравнению с 10 долларами в 2000 году). Между поставщиками наблюдается некоторое объединение. С высокотехнологичными барьерами по вхождению на рынок лазеров накачки в 2005 году цены должны установиться. Доходы резко вырастут. 61 2005 год будет еще одним годом возрождения рынка лазеров для телекоммуникаций. Ожидается, что объем рынка увеличится на 20% и достигнет 1.13 миллиардов долларов. Но потребуется еще много времени, пока этот бизнес придет опять в норму. 4.3. Системы накачки для твердотельных лазеров В эту категорию включены диодные лазеры, используемые для накачки твердотельных и волоконных лазеров. В 2003 году продажи высокомощных диодных лазеров, используемых для накачки твердотельных лазеров (в том числе лазеров с длиной волны от 750нм до 980нм с мощностью от 100мВт до 10Вт, >10Вт и наборов, а также небольшое количество высокомощных лазеров видимого диапазона), продолжили расти, хотя уровень роста был несколько ниже, чем в прошлые годы. Рынок диодных лазеров для накачки вырос с 119 миллионов долларов в 2002 году до 127 миллионов долларов в 2003 году, что составило 7%, в то время как объем продаж в штуках возрос на 9% до 133800. В 2004 году рынок высокомощных диодных лазеров упал на 13% и составил 110 миллионов долларов, притом, что продажи поштучно немного выросли. В некоторых категориях, особенно 750 до 980-нм, > 10Вт, продажи поштучно выросли существенно до 19%. Спады по продажам наблюдались в Stacks категории. Хотя диодный рост обычно находится в соответствии с ростом на рынке твердотельных лазеров с диодной накачкой (DPSSL), в 2004 году этого не наблюдалось. Рынок DPSSL в этом году вырос на 31.5% в штуках и на 49% по доходам. Также существенно увеличился рынок оптоволоконных лазеров. Наиболее вероятная причина этого – ежегодное изменение набора продукции DPSSL, включая изменения в применениях на различных уровнях мощности, что влияет на требования к мощности диодной накачки. Произошел значительный спад в продажах DPSSL для обработки материалов, но значительно возросло количество аппаратуры. Одной из наиболее обещающих разработок DPSSL стала разработка высокомощных лазеров диодной накачки киловатт класса. Для этих устройств было достигнуто более высокое качество луча, более высокая надежность и более низкое 62 потребление энергии по сравнению с лазерами ламповой накачки и др. Однако первые испытания этих лазеров в промышленном применении в Европе несколько разочаровали, видимо, из-за некоторых неудач в работе диодов. Поэтому, более широкое применение DPSSL киловатт класса может быть отложено, пока эти проблемы не будут решены. Прогнозируется, что объем продаж диодных лазеров для накачки твердотельных лазеров в 2005 году вырастет на 5% до 116 миллионов долларов, вместе с более существенным (на 19%) увеличением поштучной продажи. Оптоволоконные лазеры, использование которых быстро растет в разных сферах применения, станут одной из основных причин угасания рынка более низкомощных лазеров. 4.4. Медицина В эту категорию включены лазеры, используемые в офтальмологии (включая рефрактивную хирургию и фотокоагуляцию), в общей хирургии, терапии, получении изображений и в области косметологии. Не включены лазеры, используемые в медицине для юстировки. В 2003 году медицинский рынок для высокомощных диодных лазеров резко вырос на 32% до 58 миллионов долларов. Этот рост большей частью был обусловлен ростом рынка ручной пересадки волос. В 2004 году рост значительно сократился, составив всего 7%, и рынок составил 62 миллиона долларов. Рынок дискретных диодов и линеек, используемых в оборудовании для ручной пересадки волос, вырос на 44%. Это несколько компенсировало 40%-ный спад продаж партий диодов для большого стационарного оборудования по пересадке волос, предложенного такими компаниями, как Lumenis. Однако в 2004 году продажи диодных линеек для этого применения немного увеличились, и в 2005 году рынок ожидается стабильным. Кроме пересадки волос, медицинский рынок диодных лазеров продолжает расти незначительными темпами. В офтальмологии диоды мощностью от 100мВт до 10Вт используются для фотокоагуляции сетчатки глаза, что составляет рынок примерно в 1 63 миллион долларов. В большинстве остальных применений используются диодные линейки (> 10Вт) и включают в себя общие медицинские/хирургические, а также стоматологические применения. Оставаясь все еще небольшими, в настоящее время стоматологические применения диодных лазеров быстро растут. В целом, медицинские применения, кроме пересадки волос, в 2004 году выросли на 33% до 29 миллионов долларов, однако, в 2005 году изменений на рынке не предвидится. 4.5. Полиграфия/ графическое искусство В эту категорию включены лазеры для настольных принтеров, факсов и регистраторов изображения, а также лазеры, используемые в коммерческих системах, таких как цветоделители, мощные принтеры, выходные устройства для сканеров, формирователи изображений для радаров и спутников. Коммерческий рынок диодных лазеров для печати в 2004 году значительно вырос и характеризовался сдвигом в лазерной технологии. При этом рынок инфракрасных диодов уменьшился на 14% до 25 миллионов долларов, в основном, изза сильного уменьшения цены на 1-Вт диоды, используемые в компьютерных системах. Но рынок диодных линеек и фиолетовых (405-нм, 30мВт) диодов вырос существенно, хотя в 2002 году он был недооценен. Индустрия офсетной печати использует две основные лазерные технологии: матрицы 830-нм термальных диодов и 405-нм фиолетовые диоды. До 2003 года термальные диоды доминировали в принтерах большого объема печати (восемь страниц и выше), потому что фотополимерные покрытия пластин, способных к миллионному разрешению, были доступны только для термальной длины волны. На рынке печати небольших объемов доминировал фиолетовый диод из-за более низких вложений капитала. Но в 2003 году компания Fuji выпустила долгоиграющую фотополимерную пластину, чувствительную к фиолетовому цвету, и 30-нм диоды стали широко использоваться для ее экспозиции. Ожидается, что бразильский продавец IBF в 2005 году представит свой фиолетовый полимер. Появление в последнее время фиолетовых лазеров с мощностью 40мВт позволит осуществлять более быструю экспозицию этих форм. В результате, фиолетовые диоды и линейки перейдут в широкоформатный рынок, а термальные диоды, в свою очередь, скорее всего не перейдут в низкоформатный рынок. 64 Здесь есть одно исключение. Presstek (Hudson, NH), небольшой игрок на рынке, предлагает отражатели, основанные на 915-нм диодах, произведенных его дочерней компанией Lasertel. У этой компании есть также несколько технологий пластин – включая удаляющие и меняющие фазу, – что позволяет производить пластины без пост-экспозиционной химии, а это является существенной экономией расходных материалов для принтеров. AB Dick, большой игрок на рынке печати небольших объемов, осенью 2003 года начал продавать двухстраничные отражатели и пластины фирмы Presstek. Конкуренты Presstek наблюдают, как хорошо идут дела у компании AB Dick. Если она преуспеет, другие поставщики пластин (как Agfa и Kodak), возможно, предложат свои меняющие фазу покрытия, которые восприимчивы преимущественно к 830 нм, и постараются также продать их на рынке печати небольших объемов. Предполагается, что общий рынок коммерческой печати/графического искусства в 2005 году будет стабильным и составит 29 миллионов долларов. 4.6. Шоу бизнес и дисплеи / инспекционная и контрольноизмерительная аппаратура /считывание штрих-кодов Категория “шоу бизнес и дисплеи “ включает лазеры для световых шоу, информационных табло, лазерных указок, дисплейных голограмм, лазерных видеопроекторов. Рынки для низкомощных видимых диодных лазеров не сильно меняются год от года, за исключением считывания штрих-кодов, где продолжается активный рост. В то время как видимые лазеры для считывания штрих-кодов все еще в большинстве своем производятся в Японии, почти во всех других применениях видимых лазеров используются дешевые лазеры, изготовленные на Тайване или упакованные там или в Китае. Последнее особенно относится к лазерным указкам, цена на которые уменьшилась за последние несколько лет. Эти применения в 2004 году увеличили рынок на 77 миллионов долларов. Категория «Измерение и контроль» включает в себя широкую сферу применения видимых лазеров, таких как осмотр инструментов, производство промышленных шаблонов, лазерные прицелы и многие другие. 65 Для специальных применений, требующих большую видимость и/или более широкий радиус распространения, чаще используются 635-нм, чем стандартные 670-нм лазеры. Эти устройства направляются скорее индексами софистикации, нежели усилением, и, в основном, производятся в Японии. В 2003 году на долю этих лазеров приходилось около 18% этого сегмента рынка, составлявшего 34 миллиона долларов. В 2004 году эти лазеры стали причиной 17%-ного роста рынка в штуках и 74%-ного роста по доходам до 33 миллионов долларов. 4.7. Другие применения Эта категория объединяет (коммерческую авиацию, аэрокосмические и военные применения военные системы, а также оборудование для военных учений, дальномеры, спутники, лазерную пиротехнику), локальные сети применения, (LAN) и связанные с компьютерами – оптические межсоединения и лазеры, интегрированные в компьютерах. Рынок лазеров для LAN включает сети памяти (SANs), которые работают c использованием стандарта связи Fibre Channel (Волоконный Канал), а также локальные сети LAN, работающие с использованием протокола Ethernet. Приемо-передающие модули на основе диодных лазеров, используемые в этих областях, содержат 850нм лазеры с вертикальным резонатором, излучающие через поверхность (VCSELS), включенные в категорию 750-980нм, < 100мВт, и лазеры с торцевым излучением на длине волны 1310нм. Ethernet-сети обеспечивают различные скорости передачи информации от 10Мбит/c до 10Гбит/с, но используют только лазеры со скоростью передачи информации 1Гбит/с и выше. За последние два года SANs, использующие стандарт связи Fibre Channel, практически полностью перешли с 1Гбит/с на 2Гбит/с. Как и в случае с рынком телекоммуникаций, используемые в LAN и SAN передатчиках лазеры после подъема в 2000 году в последующие три года пережили спад, хотя этот спад был не таким серьезным, как у телекоммуникационных лазеров. В 2003 году этот рынок достиг своего самого низкого уровня. В 2004 году рынок LAN/SAN вырос на 3% в штуках. Однако из-за уменьшения средних цен продаж, рынок доходов упал на 7% до 68 миллионов долларов. На 2005 год прогнозируется рост рынка на 18% до 81 миллиона долларов. 66 Следующий высокий уровень в скорости передачи данных для LANs и SANs – это 10Гбит. В Ethernet-сетях переход к 10Гбит происходил очень медленно из-за высокой стоимости и отсутствия спроса, и 10-Гигабитные лазеры не внесли особого вклада в рынок 2004 года. В последнее время было много дискуссий относительно использования в SANs стоимости, а также 4Гбит как альтернативы 10Гбит из-за их более низкой сомнений в том, действительно ли 10Гбит будут нужны в ближайшем будущем. Окончательное решение будет принято в течение 2005 года. Военные рынки в основном включают в себя диодные лазеры с высокой пиковой мощностью, используемые в артиллерии, военных играх и нахождении целей. Длины волн составляют 915 нм и 1550 нм. Такие лазеры используются преимущественно при нахождении целей, потому что эта длина волны безопасна для глаз. Военный/аэрокосмический рынок в 2004 году удвоился до 13.6 миллионов долларов и в 2005 году прогнозируется рост до 15.5 миллионов долларов. Глава 5. Перспективные прикладные разработки в области диодных лазеров Изменяющаяся конъюнктура рынка вызывает соответствующие изменения приоритетных направлений разработок фирм-изготовителей диодных лазеров. Как показано выше, в настоящее время высокомощные диодные лазеры находят все большее применение во многих областях, среди которых медицина, накачка твердотельных лазеров и оптических усилителей и волоконных лазеров, системы связи, обработка материалов, репрография и другие области. Диодные лазеры и твердотельные лазеры с диодной накачкой является перспективной областью лазерной техники и успешно завоевывают медицинский рынок. Преимущества лазерной медицины обусловлены свойством лазерного луча легко фокусироваться в малое пятно, создавая большие локальные плотности мощности, легко доставляться по световодам в различные области (желудок, легкие, гортань и т.д.) и в бесконтактности процесса взаимодействия лазерного излучения с 67 биотканью. Это обеспечивает исключение переноса инфекций, уменьшение потери крови при хирургических операциях в результате коагуляции мелких и средних сосудов в зоне хирургического вмешательства, реализацию режима управляемого и дозированного воздействия при проведении операций, возможность дистанционного вмешательства при эндоскопических операциях с использованием световодов. Для лечения онкологических заболеваний в настоящее время применяются методы фотодинамической терапии (ФДТ) и локальная лазерная термотерапия (ЛИИТ) . Лечение злокачественных опухолей методом ФДТ представляется как фотохимическое повреждение опухолевых клеток в ходе фотохимической реакции. В опухолевую область вводят фотосенсибилизатор, который накапливается в опухоли и задерживается в ней дольше, чем в нормальных тканях. При локальном облучении опухоли излучением с длиной волны, соответствующей пику сенсибилизатора, в опухоли начинается фотохимическая реакция, поглощения оказывающая токсическое воздействие на опухолевые клетки и приводящие к ее разрушению и постепенному замещению нормальной тканью. Для проведения ФДТ обычно используется аппаратуры с генерацией на длине волны 630…690нм (в зависимости от применяемого фотосесибилизатора) и мощностью более 1 Вт; для проведения ЛИИТ может быть использован инфракрасный лазер с мощностью более 10Вт на длине волны 1064нм. В области онкологии для измерения физических характеристик крови предлагается использование диодных лазеров видимого диапазона излучения. В кардиологии используются лазеры с длиной волны 1264нм, созданные на базе матричного лазерного облучателя, в физиотерапевтических применениях перспективны лазеры с длиной волны 980нм из-за сравнительно высокой степени поглощения лазерного излучения молекулами воды (до 40%) и насыщения гемоглобина кислородом ( до 10% ). Аппаратура на основе красных диодных лазеров с малыми уровнями мощности (630…670нм, 10…50мВт) вытесняет дорогие He-Ne лазеры, сверхярких светодиодов с мощностью 250…500мВт а системы на базе на длине волны 630…660нм могут успешно использоваться для наружного облучения больших патологических участков органов. Лазеры с более короткими длинами волн – 505…520 нм (100…250мВт) могут использоваться для лечения дерматологических заболеваний, синие лазеры (490нм) с мощностью 100…250 мВт - для лечения инфицированных ран. 68 Для лечения урологических заболеваний возможно использование установок на базе диодных лазеров красного и инфракрасного диапазонов. Для фотокоагуляции и фотодеструкции в хирургии могут быть использованы аппараты на основе диодных лазеров с длиной волны 970 нм и мощностью более 6 Вт. В офтальмологии для коагуляции тканей глазного дна, разрывов, отслоек при диабетической ретинопатии могут быть использованы установки на базе диодного лазера с мощностью ~ 2Вт на длине волны 850…980 нм. В области ветеринарии в настоящее время предлагаются медицинские аппараты (820…870нм) для лечения дерматитов, послеоперационных ран, респираторных заболеваний и т.д. Аппаратура для медицинских применений разрабатывается как за рубежом, так и в России. Одним из разработчиков и поставщиков таких приборов является ФГУП НИИ ”ПОЛЮС “ им. М Ф Стельмаха. Разработка современных медицинских установок на основе диодных лазеров нового типа, снабженных контролирующей электроникой, выведет медицину на новый уровень, обеспечивающий технологические возможности недоступные настоящему уровню развития медицины. Предлагаемые для медицинских применений диодные лазеры, линейки и наборы на их основе могут успешно применяться и в других областях, таких как обработка материалов, микросварка, накачка усилителей и твердотельных лазеров. Такие применения, как торцевая накачки или волоконная связь, требуют использования симметричного пучка, что в настоящее время обычно достигается путем использования соответствующей оптики. Оптические системы для преобразования формы пучка, включающие коллимирующую оптику, сферические линзы и другие элементы, обеспечивают передачу 70-75% излучаемой мощности при длине системы ~20мм. В зависимости от требуемого уровня мощности используются одиночные диоды, одномерные или двумерные решетки диодных лазеров, объединенные волокнами. Для увеличения уровня мощности диодных лазеров обычно увеличивают его излучающую область, создавая диоды с “ широкой областью излучения “. Этот тип приборов обычно имеет ширину излучающей области от 100 до 500 микрон и мощность от 1Вт до 5Вт 15. 15 Europhotonics, 2002, V7, N6, pp.40, 41 69 Многочисленные современные системы, используемые в военной технике и гражданских применениях, требуют создания диодных лазеров, сочетающих высокий уровень мощности и улучшенные характеристики лазерного луча, что достигается использованием оптики и разработкой специальных структур, обеспечивающих нужные характеристики. Использование диодных лазеров в полиграфии позволяет создавать цветные изображения непосредственно с цифровых компьютерных файлов, что обеспечивает контроль цифровых исходных данных до включения пресса. Такие системы находят применение в художественной графике. Уже в настоящее время диодные лазеры находят широкое применение в электронной и автомобильной промышленности (маркеры, скрайберы). Разметка и скрайбирование поверхности производится с использованием систем программного обеспечения производственного процесса. В зависимости от уровня мощности диодные лазеры могут применяться для микросварки в электронной промышленности и в автомобильной промышленности (сварка автомобильных корпусов и баков для горючего мотоциклов). Несомненная перспективность наборов мощных диодных лазеров, отличающихся простотой и высокой надежностью, обеспечивает растущую позицию этих приборов. Эффективность лучших диодных лазеров достигает величин более 50%, что существенно превосходит эффективность твердотельных лазеров ( типичное значение для лазеров с ламповой накачкой составляет 1…5%, и до 5…20% - в случае диодной накачки). Разработанные в настоящее время линейки диодных лазеров имеют КПД до 51%. Образцы современных лазерных линеек обладают набором энергетических и спектральных характеристик, позволяющих использовать их в качестве источников излучения для накачки твердотельных лазеров на неодимосодержащих кристаллах с длиной волны излучения 1,06мкм при длине волны накачки 800…810 нм, а также на стеклянных активных элементах, легированных ионами иттербия и эрбия, с излучением в области 1,5мкм при длине волны накачки 940…960нм. Диодная накачка позволила легко получить генерацию в твердотельном лазере с малым объемом активной среды (так как излучение мощного лазерного диода можно легко сфокусировать на площадку диаметром ~ 0,1мм), снизить пороговые мощности накачки с долей киловатта до долей Ватта. Результатом стало появление нового класса миниатюрных твердотельных лазеров. Эти приборы, использующие диодную накачку, 70 широко применяются как лазерные целеуказатели для стрелкового оружия, в геодезических приборах, в медицине и т. п . Твердотельные лазеры с непрерывной накачкой, обеспечивающие мощность до 1 кВт, успешно используются для таких применений как скрайбирование диодных пластин, резка алмазов, маркировка изделий. Использование диодной накачки позволяет исключить систему жидкостного охлаждения. В мощных многомодовых непрерывных лазерах применение диодной накачки снижает тепловыделение вследствие лучшего согласования спектров поглощения кристалла и излучения диодов, улучшает расходимость излучения ( повышает яркость ) и повышает общий КПД системы. Твердотельные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, широко применяются в измерительной технике ( дальномеры, высотомеры ), системах лазерной локации, лидарах, целеуказателях, системах наблюдения. Если в автономных приборах, не имеющих достаточной энергетики для термостабилизации диодов, внедрение диодной накачки вызывает проблемы, то для бортовых приборов диодная накачка весьма привлекательна. Диодные лазеры могут использоваться в космических линиях связи. Средой распространения сигналов в космосе является вакуум, поэтому для передачи информации можно эффективно использовать оптический диапазон длин волн. Благодаря этому в системах связи можно создать узкие пучки света и обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. По сравнению с линиями связи миллиметрового и сантиметрового диапазонов, аппаратура межспутниковых оптических линий связи обладает меньшей массой, габаритами и энергопотреблением. Важным требованием к таким источникам излучения является повышенная мощность одномодового излучения . Лазеры, подобно всем приборам, находящимся на земной орбите, должны быть устойчивыми к радиации, значительным колебаниям температуры, а также к ударам и вибрациям. Диодные материалы устойчивы к космической радиации, малая масса этих источников обеспечивает сохранность системы связи во время запуска. Ранее на большинстве спутников связи использовались одномодовые диодные лазеры с мощностью < 300мВт, однако относительно низкий уровень мощности последних позволял использовать их только для внутриспутниковой передачи информации через волокно. Для обеспечения эффективной связи со спутниками, находящимися на высоте от 4000 до 25000 км, лазерное излучение должно иметь низкую расходимость. 71 Традиционные диодные лазеры с большой выходной мощностью могут иметь дифракционно-ограниченную расходимость только по одной оси. По другой оси эта расходимость в 50 раз превышает дифракционно-ограниченную. По этой причине они не могут обеспечить передачу лазерного излучения на расстояния более 4000км. В коммерческих спутниках связи должны использоваться лазеры, которые могут передавать сигналы на расстояние до 1500км. Для успешного решения этой проблемы необходимо создание высокомощного одномодового лазерного диода c малой расходимостью излучения в симметричном пучке. Работы по созданию космических систем связи проводятся в Европе, США, Японии. Новое поколение стимулирует создание волоконно-оптических систем передачи информации источников лазерного излучения с более высокими мощностными и пространственными характеристиками. Известно, что через каждые 50 - 100 км волоконно-оптического тракта происходит ослабление сигнала на 10 – 20 дБ, что требует его восстановления. Ранее единственным способом компенсации потерь в линиях связи были регенераторы. Пропускная способность сети или линии дальней связи с регенераторами была ограничена возможностями электроники (на сегодняшний день предельная скорость обработки сигналов для электроники - порядка 40 Гбит/c). Появление промышленных эрбиевых усилителей на основе волокон, легированных эрбием, (EDFA) привело к революционным изменениям в линиях дальней связи и обеспечило внедрение технологии спектрального уплотнения DWDM. Наибольшая эффективность использования накачки достигается на длинах волн 980 и 1480 нм. Усилители на волоконном световоде, легированном ионами эрбия, обладают сочетанием уникальных свойств, среди которых следующие: возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн; непосредственное усиление оптических сигналов без их преобразования в электрические сигналы и обратно; практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла; низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему передачи информации. Разработка и применение эрбиевых усилителей привели к революционным изменениям в линиях дальней связи и обеспечили внедрение технологии спектрального уплотнения DWDM. В настоящее время разработаны устройства накачки с мощностью в несколько сотен милливатт, введенной в 72 одномодовое волокно. Большая мощность накачки требуется для обеспечения высокого коэффициента усиления одновременно большого числа каналов в системах со спектральным уплотнением. Твердотельные лазеры не имеют аналогов по яркости и пиковой мощности излучения, так как допускают работу в одномодовом режиме с хорошим качеством пучка в сочетании с режимом модуляции добротности, что недоступно большинству других типов лазеров. Высокая пиковая мощность излучения позволяет эффективно средствами нелинейной оптики преобразовывать излучение ближнего инфракрасного диапазона в видимый и ультрафиолетовый диапазоны спектра, а также в средний инфракрасный лазеры в диапазон. непрерывном В то же время, по мощности генерации твердотельные режиме испытывают сильнейшую конкуренцию с современными наборами диодных лазеров, мощность которых успешно суммируется в оптическом волокне, а также с волоконными лазерами на активированном волокне, возбуждаемыми лазерными диодами. Успех этой конкуренции зависит от характера решаемых с помощью лазера технологических задач. Разработанные рядом фирм многофункциональные оптические записывающие устройства нового поколения успешно внедряются на профессиональном рыноке хранения данных. Появление коротковолновых промышленных диодных лазеров с длиной волны 405нм и с уровнем мощности 30-40мВт способствовало созданию и развитию систем оптической памяти с высокой плотностью записи информации. Предложенный в 2003 фирмой Sony Blu-ray Disc драйвер предназначен для отображения документов и медицинских данных, архивирования электронной почты, мультимедийных проектов, графического дизайна и аудио/видео редактирования. Результатом успешных разработок коротковолновых лазеров для систем оптической памяти является создание на фирме Toshiba лазерного диода с низким уровнем шумов, обеспечивающего мощность 200мВт на длине волны 409нм. Такие диоды с высокой мощностью, низким уровнем шумов и высокой стабильностью пучка излучения могут быть использованы для записи и считывания систем оптической памяти нового поколения. Фирмы Toshiba и Samsung намерены сформировать совместное предприятие, которое соединит их бизнес в области создания CD-ROM и DVD-ROM драйверов16. 16 Compound Semiconductor, 2003, V9, N9, p.19 73 Представленный обзор позволяет сделать вывод об уже существующем в настоящее время широком спектре применения диодных лазеров в различных областях. Дальнейшее совершенствование характеристик диодных лазеров нового типа позволит не только расширить область их применения, но и обеспечит переход на качественно новый уровень. Глава 6. Актуальные и перспективные направления разработок и использования диодных лазеров нового типа В результате проведенных маркетинговых исследований был сделан вывод о целесообразности распространения результатов, полученных при разработке лазерных структур нового типа с длиной волны излучения 980 нм, на создание аналогичных по структуре лазеров с длинами волн 808 и 940нм. Лазеры с такими длинами волн излучения основаны на использовании соединений Ga , Al, As с различными соотношениями составляющих компонентов. Разработка и создание структур, обеспечивающих генерацию на длинах волн 808 и 940 нм, не требует принципиальных изменений технологий (длина волны излучения 980нм была использована первоначально, так как в этой области спектра ранее имелись определенные наработки), хотя и необходимо проведение дополнительных исследований и отработок технологических операций. В настоящее время все более широкое применение и в России, и за рубежом находят системы на основе твердотельных лазеров с диодной накачкой, в которых использование диодных лазеров с длинами волн 808 и 940 нм и улучшенными 74 характеристиками позволяет существенно повысить параметры накачиваемых лазеров, а в ряде случаев и расширить возможности использования последних. Кроме того, диодные лазеры успешно используются для накачки волоконных лазеров и усилителей, которые могут применяться в системах связи, в промышленных лабораториях, в полиграфии, клиниках и т.д. В настоящее время возрос интерес к использованию одномодовых, но и многомодовых лазеров с мощных не только улучшенными выходными характеристиками, что связано с такими областями как микрообработка материалов, пайка, сварка, сверхскоростные принтеры. Создание диодных лазеров с повышенным уровнем мощности и улучшенными пространственными характеристиками будет способствовать внедрению таких лазеров в промышленное производство. 6.1. Одномодовые лазеры с повышенной мощностью излучения и улучшенными характеристиками Одномодовые лазеры с повышенной мощностью и малой расходимостью успешно применяются в системах волоконно-оптической связи. Они особенно эффективны при накачке волоконно-оптических усилителей, сочетающих повышенную мощность с малым уровнем шумов. Диодные лазеры с малыми потерями при вводе оптической мощности в одномодовое волокно являются перспективными источниками излучения для волоконных датчиков, используемых в настоящее время в системах гражданского и военного применения. Такие применения, как торцевая накачка твердотельных лазеров или волоконная связь, требуют использования симметричного пучка излучения, что обычно достигается путем применения соответствующих оптических систем преобразования формы пучка, включающих коллимирующую оптику, соответствующие линзы и другие оптические элементы. Такая система обеспечивающие передачу 70-75% излучения при 75 длине системы ~-20мм 17[8]. Использование мощных одномодовых диодных лазеров с симметричным пучком и малой расходимостью излучения позволит существенно упростить реализацию и повысить характеристики и протяженность систем оптической связи. 6.2. Многомодовые лазеры и линейки непрерывного и импульсного режимов излучения Использование мощных многомодовых лазеров с улучшенными характеристиками в настоящее время связано с такими областями как микрообработка материалов, точечная сварка, сверхскоростные принтеры, лазерная медицина, накачка мощных иттербиевых и эрбиевых волоконных лазеров и усилителей, открытые линии передачи информации и др.. Как отмечено выше, для повышения мощности излучения диодных лазеров в настоящее время создаются линейки и наборы на основе диодных лазеров. Все большее применение находят такие мощные наборы в промышленности. В настоящее время системы, непосредственно использующие излучение высокомощных лазерных диодов [High Power Direct Diode Laser – HPDDL], предлагаются для использования в системах сварки. Такие промышленные диодные лазеры являются новым типом тепловых источников, они приходят на смену традиционным лазерам для реализации сварных швов. Благодаря высокой эффективности такие HPDDL-системы очень компактны и могут быть помещены непосредственно на оконечник сварочного автомата, обеспечивая высокую скорость и высокое качество сварки изделий как из черных, так и из цветных металлов. Такие лазерные системы обеспечивают возможность традиционным контроля энергии лазеров со степенью, которая недоступна лазерам на алюмоиттриевом гранате, активированном неодимом (АИГ:Nd), и CO2 лазерам. Системы сварки на базе лазерных диодов обладают целым рядом преимуществ по отношению к традиционным системам сварки. Важным достоинством диодных лазеров является высокая эффективность преобразования энергии накачки, низкие эксплуатационные расходы и хороший 17 Europhotonics, 2002, V7, N6, pp.40, 41 76 контроль излучения. Эффективность преобразования электрической энергии в оптическую в случае лазерных диодов может составлять от 30% до 60%. Суммарный КПД диодной системы, включающей источник накачки и систему водяного охлаждения, может иметь полный КПД более 25%. Фирма Nuvonyx Inc., США предлагает ряд моделей установок для промышленного применения, созданных на базе HPDDL. При использовании индивидуального охлаждения решеток диодных лазеров была получена мощность 1,2кВт. Заслуживает особого внимания модель, обеспечивающая мощность 4кВт на длине волны 805±10нм в режиме непрерывной генерации. Система обеспечивает возможность внешней модуляции, снабжена специальной микрооптикой, водяным охлаждением, микропроцессорным контролем. Предлагаются две модификации модели: ISL-4000L c плотностью мощности 67кВт/см2 , размером пятна 12мм х 5 мм, рабочим расстоянием 94см и ISL-4000LHD с плотностью мощности 167кВт/см2 и рабочим расстоянием 43мм. Вес системы составляет ~7кг. Такая система может потреблять менее 16кВт электрической мощности, что обеспечивает более низкие эксплутационные затраты. Предлагаемые области применения включают термообработку, резку эпоксидных смол, пайку, сварку металлов или пластиков, удаление краски и др. Стандартные диодные лазеры обеспечивают генерацию на длине волны 810нм в инфракрасной области, на длине волны более короткой, чем АИГ: Nd (1,06мкм) и CO2 (10,6мкм) лазеры, используемые обычно в промышленных установках. Это обеспечивает преимущества системам на базе лазерных диодов, так как более короткая длина волны излучения способствует достижению более высоких скоростей поглощения излучения для большинства металлов, что связано с лучшим соответствием энергии излучения областям поглощения многих металлов. Это особенно относится к алюминию, у которого пик поглощения соответствует длине волны излучения HPDDL (810нм). В случае лазерной сварки диодные лазеры не требуют предварительного покрытия металлических частей для достижения более высокого поглощения, как это делается в случае СО2 –лазеров. Другим преимуществом HPDDL является то, что они являются твердотельными лазерами. Это способствует высокой контролируемости теплового источника. Система на основе HPDDL была протестирована при использовании микропроцессора. Полоса модуляции при этом составляла 20кГц, что на порядок выше, чем в случае 77 традиционных лазеров. В отличие от традиционных систем диодные лазеры не требуют времени на нагрев, предшествующий стабилизации режима. Мощность может быть включена и выключена мгновенно, что обеспечивает и дополнительное энергосбережение. В случае СО2 и АИГ:Nd лазеров пучок излучения фокусируется на металлическую поверхность при помощи зеркал или линз. Обычно такое пятно имеет диаметр менее 1мм. Когда интенсивность излучения сфокусированного пучка достигает высоких значений ~ 106 Вт/ см2 , подвергнутый такому нагреву металл мгновенно переходит в жидкое состояние, затем испаряется с поверхности и формируется плазма. Давление пара преодолевает поверхностное натяжение жидкого металла и удаляет жидкий металл от лазерного пучка, образуя в металле скважину. Формирование скважины является динамичным и хаотическим процессом. Расплавленный металл турбулентно протекает вокруг скважины и снова затвердевает. При создании скважины обеспечивается получение глубокого узкого сварного шва с минимальным количеством расплавленного металла. Это означает минимальное время взаимодействия излучения с металлом. При этом увеличивается скорость процесса и уменьшаются нежелательные эффекты деформации и создания больших зон, нарушенных воздействием тепла. 6.3. Диодные лазеры с улучшенными характеристиками для накачки твердотельных лазеров В настоящее время для накачки твердотельных лазеров успешно применяются линейки и наборы на основе непрерывных и импульсных многомодовых диодных лазеров. Как известно, эффективность твердотельных лазеров с ламповой накачкой составляет 1...5%, а с диодной накачкой – до 5...20%. За последние годы появление мощных диодных лазеров и линеек на их основе привело к изменениям в технологии накачки твердотельных лазеров. Замена некогерентной широкополосной ламповой накачки на направленную лазерную диодную накачку существенно расширила возможности применения твердотельных лазеров. При этом выбор режима генерации системы накачки на основе диодных лазеров, а также использование линеек или наборов на их основе определяется требованиями области применения. 78 Твердотельные лазеры, использующие в качестве активаторов ионы неодима, эрбия, иттербия и др., накапливают энергию возбуждения на верхнем лазерном уровне и могут обеспечивать эффективную работу в режиме модулированной добротности. В этом режиме лазер высвечивает энергию, накопленную за время действия накачки: при однократной или повторяющейся импульсной накачке, когда высвечивается однократный ( в случае дальномера) или повторяющийся ( в случае светолокатора) мощный световой импульс. Наибольшее распространение в настоящее время имеют твердотельные лазеры на основе неодимосодержащих кристаллов с длинами волн излучения 1,06 мкм при длине волны накачки 800 ...810нм и на основе стеклянных активных элементов, легированных ионами иттербия и эрбия, с излучением на длине волны ~ 1,5мкм при длине волны накачки 940...980нм. Импульсные твердотельные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, широко применяются в измерительной технике: в дальномерах и высотомерах, системах лазерной локации, лидарах, целеуказателях, системах наблюдения. Так как энергии моноимпульсов таких приборов составляют от 10мДж до 1Дж, то для этих целей возможно использование диодной накачки, которая особенно перспективна при накачке бортовых приборов. Твердотельные лазеры с непрерывной диодной накачкой могут успешно конкурировать в таких применениях как скрайбирование диодных пластин, резка алмазов, маркировка изделий. Этому способствует меньшее тепловыделение в сочетании с потенциально более высокой, по сравнению с лампами накачки, долговечностью диодов. Накачка твердотельных лазеров диодными может производиться при различных режимах генерации. Выбор режимов генерации определяется областью применения. Существуют применения лазеров, предполагающие использование импульсного режима работы последних. Импульсный режим генерации лазерных диодов для накачки, обеспечивающий высокую плотность возбуждения в активном элементе твердотельного лазера при небольшой длительности излучения и высоком качестве луча, позволяет применять такие лазеры для механической обработки материалов, не поддающихся обработке твердотельными лазерами с непрерывной накачкой из-за высоких порогов абляции. Это высокопрозрачные и высокоотражающие материалы, а также материалы с высокой теплопроводностью. 79 Кроме того, может быть необходима обработка с помощью одной вспышки лазерного излучения. Лазерное инфракрасное излучение на основной гармонике (1064нм) хорошо подходит для трехмерной маркировки внутри стекла, где каждая вспышка лазерного излучения создает элемент изображения. Путем фокусировки инфракрасного луча в стеклянном кубе лазерное излучение с высокой импульсной мощностью создает плазму (микровспышку), которая, в свою очередь, создает постоянный центр рассеяния в стеклянном блоке. Лазерное инфракрасное излучение используется также для исследования трехмерной конструкции и подповерхностной маркировки оптических и фармацевтических компонентов. Таким образом, использование предлагаемых нами диодных лазеров с улучшенными мощностными и пространственными характеристиками, а также линеек и наборов на их основе, будет способствовать не только повышению эффективности и надежности твердотельных лазеров с соответствующей диодной накачкой, приведет к удешевлению эксплуатации таких твердотельных лазеров, но и обеспечит расширение возможностей применения последних при использовании накачки короткими импульсами. 6.4. Диодные лазеры для накачки волоконно-оптических усилителей Преимущества передачи, использующей оптическое усиление сигнала и мультиплексирование DWDM, изменили концепции построения оптических сетей. Менее чем за 10 последних лет емкость одного волокна в эксплуатируемых системах возросла с 2,5 до 1600Гбит/с, т.е. увеличилась почти в 1000 раз. В настоящее время волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используются в сетях всех масштабов: корпоративных сетях и сетях доступа, городских и региональных сетях, междугородных и трансконтинентальных линиях связи. И, чем больше протяженность и выше скорость передачи, тем более заметны преимущества технологии ВОЛС по сравнению с другими. За время своего существования ВОЛС прошли различные этапы развития, при которых совершенствовались технологии создания волокон, источники накачки и системы усиления сигналов. Увеличение числа каналов, канальной скорости передачи, увеличение протяженности сегментов между усилителями – все эти факторы требуют увеличения мощности излучения, вводимого в волокно. 80 В 1999г. с появлением первых оптических усилителей на основе волокна, легированного эрбием, стали очевидными возможности их применения в протяженных линиях связи. Оптический усилитель имеет три существенных преимущества перед регенераторами. Во-первых, оптический усилитель конструктивно проще. Во-вторых, оптический усилитель, в отличие от регенератора, не привязан к протоколу или скорости передачи и может усиливать входной сигнал любого формата. В-третьих, оптический усилитель способен одновременно усиливать большое число независимых спектрально разделенных каналов, в то время как регенератор может обрабатывать только один канал, одну длину волны. Перечисленные преимущества настолько значительны, что заставляют мириться с основным недостатком-дополнительным шумом, вносимым усилителем. Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность являются важнейшими характеристиками оптических усилителей, применяемых в системах связи. Выходная мощность сигнала определяет расстояние до следующего усилителя в системе, а уровень шумов является важнейшей характеристикой оптического усилителя. Энергетическая эффективность эрбиевого усилителя мощности определяется отношением изменения мощности сигнала к мощности накачки. Из энергетической схемы эрбиевого усилителя следует, что для получения максимальной энергетической эффективности перспективнее использовать накачку на длине волны 1480нм, в то время как качество принятого системой передачи информации цифрового сигнала определяется отношением мощности этого сигнала к мощности шума. Известно, что уровень шума в эрбиевом усилителе при использовании накачки на длине волны 1480нм выше, чем при использовании накачки на длине волны 980нм. Поэтому выбор длины волны накачки может определяться предъявляемыми к системе требованиями. Кроме того, необходимо отметить, что переход к системам со спектральным уплотнением, где происходит усиление одновременно большого количества сигналов, требует использования более высоких мощностей накачки. Волоконно-оптические усилители используются как в наземных, так и в подводных системах передачи информации, в которых особенно важны низкие уровни шумов. Поэтому использование лазеров с длиной волны излучения 980нм, обеспечивающих меньший уровень шумов при высоком уровне выходной мощности, позволяет обеспечить работу линий связи высокой протяженности. Высокая мощность и стабилизация накачки при помощи брэгговских решеток могут обеспечить 81 увеличение возможностей DWDM –систем с 16 каналов на одно волокно до 40...80 каналов18. Разработка и внедрение новых технологий, включающих источников излучения для накачки усилителей с создание новых хорошими мощностными, пространственными и шумовыми характеристиками, высокой надежностью и низкими потерями, а также оптических волокон с малым влиянием нелинейных эффектов, обеспечат создание нового поколения волоконно-оптических систем с повышенным числом передаваемых сигналов в одном волокне. 6.5. Диодные лазеры для накачки волоконных лазеров Волоконные лазеры обычно создаются ионами на основе волокна, активированного эрбия или иттербия , одна из частей которого используется в качестве задающего генератора, а другая – как усилитель с коэффициентом усиления недоступным для твердотельных лазеров. Для накачки таких легированных волокон используются диодные лазеры с излучением, соответствующим спектрам поглощения активаторов. В настоящее стекловолокна брэгговских время существуют технологии создания внутри решеток, наличие которых позволяет избавиться от внешних зеркал с проблемами их юстировки и получить выходное излучение с очень высокими спектральными характеристиками. Волоконный лазер со стабилизацией, без воздушных зазоров устойчив к механическим повреждениям , воздействию влажности и другим факторам. Излучение лазера подается в рабочую зону при помощи волокна. Такие волоконные лазеры отличаются компактностью, в них применяется воздушное охлаждение. Для накачки лазеров используются диодные лазеры с длиной волны излучения ~ 970нм. Использование эрбия в качестве усилителя обеспечивает получение излучения на длине волны ~1,56мкм, в безопасной для зрения области спектра. Безопасные для зрения эрбиевые волоконные лазеры могут использоваться в лазерной медицине, в системах тестирования телекоммуникационных компонентов, в научных исследованиях. Разрабатываемые в настоящее время высокомощные иттербиевые волоконные лазеры с широкополосной модуляцией могут использоваться в системах термопечати, 18 Europhot., 2001, June/July, p.22 82 системах беспроводной связи, обработки материалов и в испытательном оборудовании. Такие волоконные лазеры отличаются хорошими выходными характеристиками, обладают высоким КПД, снабжены гибким волоконным кабелем для доставки излучения в рабочую зону. За последние годы резко увеличивается мощность волоконных лазеров, легированных иттербием, они становятся конкурентами ( АИГ :Nd) - твердотельным лазерам в таких областях, требующих высоких уровней мощности, как обработка материалов, медицина, дальнометрия. Создаваемые в настоящее время волоконные лазеры для различных областей применения удобны в использовании, становятся компактнее. Так система маркировки фирмы Antares Laser на основе волоконного лазера с иттербием и диодной накачкой занимает площадь всего 0,5м2 и имеет срок службы 20000 часов. Сочетание высокой выходной мощности, возможности накачки многомодовыми лазерными диодами и высокой эффективности накачки при высоком качестве пучка (близком к дифракционно-ограниченному) делают такие волоконные лазеры исключительными источниками высокомощного излучения в области 1-1,1мкм. Сообщается о получении мощности 1кВт от легированного иттербием волоконного лазера (на основе одного волокна), излучающего в режиме непрерывной генерации с эффективностью 80% при высоком качестве пучка (М2 =3,4) . Для накачки такого лазера использовались решетки лазерных диодов с генерацией на длинах волн 972 и 975нм 19, 20. Ранее сообщалось о получении мощности 10кВт от многомодовых приборов, созданных при использовании излучения нескольких волоконных лазеров 21. Мощность 500Вт в режиме непрерывной генерации была получена от волоконного лазера на одном волокне22. Значительные успехи в области создания волоконных лазеров достигнуты транснациональной фирмой “IPG”, объединения созданной на базе научно-технического “ИРЭ-ПОЛЮС“. При использовании банковских кредитов в Германии фирмой была создана современная технологическая база для внедрения разработок и проведения новых исследовательских работ. В команду инвесторов входят крупнейшие 19 Electronics Letters, 2004, V40, N8, pp.470-472 20 Laser Focus World, 2004, V40, N6, p.9 Proc. Conf. on Lasers and Electro-Optics, Baltimore, MD, USA, June 2003, paper CThPDB9 Electron. Lett., 2003, V39, pp.645-647 21 22 83 банки и венчурные группы мира, в том числе, “Merril Lynch”, “TA Associates”, “APEX” и другие. Основные отделения фирмы сосредоточены в США, Германии и России. В настоящее время приборы фирмы используются в системах волоконной, подводной, открытой наземной и космической связи, на заводах, в промышленных лабораториях, системах контроля движения и многих других областях. Фирма предлагает высокомощные иттербиевые волоконные лазеры серии YLPM с широкополосной модуляцией для систем термопечати. Лазеры этой серии могут также использоваться в системах беспроводной связи, испытательного оборудования и обработки материалов. Лазеры обладают высоким КПД (10% ), снабжены одномодовым волоконным кабелем для доставки выходного излучения в рабочую зону. Безопасные для глаз (1535-1610нм) непрерывные одномодовые эрбиевые волоконные лазеры с мощностью 1, 5, 10, и 15 Вт находят широкое применение в системах тестирования телекоммуникационных компонент, в научных исследованиях и в медицине 23. Волоконные лазеры с полупроводниковой накачкой могут обеспечивать высокие уровни излучаемой мощности, отличаются высоким усилением и устойчивостью ко внешним факторам, что делает перспективным их применение в различных областях. 6.6. Некоторые применения маломощных лазеров Наряду с многочисленными областями применения диодных лазеров с повышенным уровнем мощности на рынке диодных лазеров представлены и маломощные лазеры с излучением в различных областях спектра. Области применения относительно маломощных диодных лазеров традиционно включают системы оптической памяти ( длина волны излучения от менее 700 до 980нм), системы считывания штриховых кодов ( длина волны излучения менее 700нм), некоторые медицинские применения. В настоящее время все более популярной становится интеграция маломощных диодных лазерных чипов и оптических элементов в едином корпусе. Перспективным направлением такого объединения является создание диодных оптических усилителей на основе лазеров с вертикальным резонатором. Такие относительно дешевые усилители являются важнейшими элементами в системах волоконно-оптической связи. Оптические усилители на основе лазеров с вертикальными резонаторами обеспечивают 23 Лазер –Информ, N 17-18 (248-249) сентябрь,2002 84 высокую эффективность связи с оптическим волокном, компактный дизайн и независимость усиления от поляризации. Для накачки таких усилителей могут использоваться диодные лазеры с длиной волны 980нм. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изложенные в данной монографии данные позволяют сделать следующие основные выводы относительно перспектив развития и применения разработанного нами высокоэффективного лазера нового типа: В 2002-2003 годах рынок диодных лазеров возвратился к нормальному росту. В целом, на 2005 год прогнозируется рост рынка диодных лазеров на 11%. Диодные лазеры и системы на их основе в настоящее время находят широкое применение во многих областях, включая системы оптической памяти, телекоммуникации, многочисленные промышленные применения, а также применения в медицине, полиграфии, шоу-бизнесе, военной области и т. д. 85 Одномодовые лазеры с мощностью ~ 1Вт могут успешно использоваться в таких областях, как системы накачки волоконных лазеров и волоконных усилителей для нового поколения волоконно-оптических систем передачи информации с повышенным числом передаваемых каналов связи в одном волокне; открытые линии связи, космические линии связи. Основными фирмами-потребителями таких мощных одномодовых лазеров являются фирмы Alcatel Optronics, France; Bookham Technology, UK; Corning Photonics, Agere Optical Components, Nortel Optical Components. В России потребителями одномодовых одноваттных лазеров могут быть разработчики систем накачки волоконных лазеров и усилителей для нового поколения волоконно-оптических систем передачи информации с повышенным числом передаваемых каналов связи в одном волокне. Эти лазеры могут использоваться в системах тестирования волоконных компонентов, в открытых линиях связи, в космических линиях связи. Многомодовые лазеры с повышенной мощностью генерации находят свое применение во многих системах, в том числе в лазерной медицине, маркировке и микрообработке материалов, при точечной сварке, в сверхскоростных принтерах; в качестве источников накачки для мощных иттербиевых и эрбиевых волоконных лазеров и усилителей, а также рамановских лазеров, имеющих широкий спектр применения от обработки материалов до открытых линий передачи информации. Основными потребителями таких систем являются фирмы SPI, Califor., USA; IPG Photonics, PriTel, Naperville, Il.,USA; Agilent Technology, USA; Spectra Couleur GmbH, Germany. В России потребителями многомодовых лазеров могут быть фирмы, заинтересованные в использовании современных методов термообработки, сварки, пайки и резки в автомобильной промышленности. Для успешного использования разрабатываемых диодных лазеров необходима совместная с предполагаемыми потребителями разработка системы на базе лазера с учетом необходимых потребителю выходных характеристик. Одним из таких потребителей является НИИТАВТОПРОМ Акционерное общество “Научно-исследовательский институт технологии автомобильной промышленности“, занимающийся технологиями для экономичной светолазерной сварки и термообработки, а также лазерной резки материалов. Кроме того потребителями мощных многомодовых лазеров являются фирмы-разработчики сверхскоростных принтеров, фирмы-разработчики твердотельных лазеров и др. 86 Многомодовые импульсные диодные лазеры перспективны в новых сверхскоростных и эффективных лазерных дальномерах различного назначения, скоростемерах, системах подсветки и прицеливания, в которых диодный лазер заменит твердотельные лазеры. Основными потребителями таких лазеров являются фирмы, работающие в военно-промышленном комплексе. Линейки и наборные решетки из непрерывных и импульсных многомодовых лазеров успешно используются в различных системах. На базе таких решеток создаются системы накачки твердотельных лазеров. Диодная накачка твердотельных лазеров позволяет существенно увеличить КПД последних ( до 5…20%, по сравнению с 1…5% - при ламповой накачке), исключить необходимость в жидкостном охлаждении. прецизионной Такие лазеры применяются для маркировки и микромеханической обработки материалов, для сверления микроотверстий, маркировки гибкой фольги в автомобильной и электронной промышленности, в медицине и военной технике. Основными потребителями таких лазеров являются фирмы Cutting Edge Optronics Inc., USA; Lee Laser Inc.,USA; Lambda Physik , USA; Coherent Laser Grup,USA; Melles Griot Ltd., USA; Rofin-Sinar AG-Laser Marking, Germany; Trumf-Haas, Germany; Innovative Berlin Laser AG, Germany; Coherent Laser Div., Germany; Cristal GmbH , Germany; Minamitsuru-Gun, Japan, Nuvonyx Inc., USA… Российскими потребителями лазеры на основе линеек и решеток могут быть довольно многочисленные фирмы - создатели твердотельных лазеров, предлагающие свою продукцию в секторе медицинского оборудования, обработки материалов, военной техники. Использование таких лазеров для накачки сделает более экономичными и в перспективе более долговечными системы на основе твердотельных лазеров. Разработка нового класса высокомощных высокоэффективных диодных лазеров за рубежом является одним из приоритетных направлений, которое финансируется как государственными, так и негосударственными источниками. Все более значительную роль на рынке лазерной техники играют страны Азиатского региона, среди которых особенно заметны достижения Китая. За последние годы в Китае в секторе материалов для оптоэлектроники произошел переход от стадии исследований к стадии производства и применения. Такие ведущие компании в рынке, 87 как JDS, Uniphase, Oplink, Agilent, находятся в процессе объединения почти всего производства оптических компонентов на предприятиях Китая и Сингапура. Преобладание высококвалифицированных инженеров с более низкой заработной платой является основным преимуществом при конкуренции, которое будет способствовать росту в азиатских странах производства оптоэлектроники в течение длительного периода времени. В настоящее время китайские фирмы проявляют интерес к зарубежным, в том числе российским, высокотехнологичным разработкам в области диодных лазеров. Такие фирмы могут быть заинтересованы в использовании разрабатываемых лазеров в различных системах. Создание высокомощных лазеров с улучшенными пространственными характеристиками будет способствовать более широкому их внедрению в промышленное производство, появлению технологий и аппаратуры нового поколения в гражданских и военных применениях. Для успешного развития лазерной техники, расширения областей применения и повышения конкурентоспособности необходимо, наряду с созданием элементной базы, включающей диодные лазеры, привлечение существенных инвестиций для увеличения сектора законченных изделий. 88
