Diody superluminescencyjne (SLED) - Instytut Fizyki PAN

Opracowanie nowych koncepcji emiterów azotkowych (380 –520 nm) w celu ich wykorzystania w sensorach chemicznych,biologicznych i medycznych. (zadanie 14)Piotr PerlinInstytut Wysokich Ciśnień PAN1

Do chwili obecnej japońskie firmy takie jak Nichia, Sony,Sanyo, Sharp koncentrowały się na uruchomieniuprodukcji laserów do zastosowań w nowej generacji DVDObudowa 5.6 mmLub w miniaturowych wyświetlaczach laserowych np. OsramObudowa 3.8 mm2

Optical power (mW)Voltage (V)IWC PAN kontynuuje prace nad rozwojem laserów średniej idużej mocy o długości fali około 405 nm350730062505200415031002501000.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2Current (A)Przykład lasera o mocy optycznej 340 mW (IWC PAN + TopGaN)J thr =3 kA/cm 2 , V thr =5.5VUzyskaliśmy ostatnio lasery o gęstości progowej prądu 2 kA/cm 23

Diody laserowe – emitery krawędzioweMetaloxide3-5µmActive layeroxideProcessing laserów:Depozycja tlenków i metaliTrawienie jonoweFotolitografia klasyczna i laserowaMontaż, lutowanie eutektyczne wire bondingTesty i lifetesty4

Nowe aplikacje koherentnych źródeł światła (w tymsensorowe) wymagają nowych rozwiązań konstrukcyjnychSystemy emitujące wysoką moc optycznąLinijki laserowedLJednowymiarowa matryca diod laserowychMożliwość osiągnięcia mocy optycznych znacznie powyżej 1 WPotencjalna możliwość równoległego działania w przypadku linijekadresowanychTen typ przyrządu nie występuje na światowych rynkach!6

Linijki laserowe – problemy do rozwiązania1. Maksymalizacja sprawności lasera.2. Rozwiązanie problemu odprowadzania ciepła i montażu3. Fizyka oddziaływania emiterów - sprzężenia7

Intensity (cps)Nowe długości faliUzyskanie przyrządów o optymalnych parametrachpracujących w zakresie 380 – 520 nm poszerzy możliwośćstosowania emiterów w różnych aplikacjach w tymsensorowych.Do tej pory w IWC PAN uzyskano emisję laserową w zakresie380 – 430 nm, ale optymalne parametry były uzyskane wzakresie 390-415 nm.10000090000LD117 402 nm800007000060000LD 151 393 nmLD116 - 416 nm500004000030000LD 416 - 430nm20000100000360 380 400 420 440 460 480Emission wavelength (nm)8

380 405 500 nmProblemy do rozwiązania1. Konstrukcja studni kwantowych,szczególnie barier. Stopy o niskimskładzie In. Utrzymanie właściwejgłębokości studni.2. Minimalizacja absorpcji wrezonatorze.3. Problemy niezawodnościowe –duża energia fotonu.1. Duży kwantowy efekt Starka.Naprężenia prowadzące dogeneracji defektów2. Efekt Auger lub inny o zależnościn 33. Wysokie straty w falowodzie4. Słaby confinement optycznymodów.Milestony:31.03.2010 - Demonstracja emisji laserowej w długości fali 460 nm9

Diody superluminescencyjne (SLED)Przyrząd oparty o mechanizm emisji wymuszonej ale bezsprzężenia zwrotnegoCechy:Dobra koherencja przestrzenna, ale brak koherencjiczasowej.Bardzo dobra wiązka (typu laserowej).Dość wysokie moce optyczne.Zastosowania:Tomografia laserowa, obrazowanie fluorescencyjneSLED azotkowe do tej pory nie zademonstrowane.10

Diody superluminescencyjne (SLED)Trzy sposoby procesowania przyrządów1. Warstwy antyrefleksyjnePasek kontaktuWarstwy antyrefleksyjne2.Dezorientacja paska laserowego11

Diody superluminescencyjne (SLED)Diody z biernym obszarek absorbującym.12

Diody superluminescencyjne (SLED)Opracowano podstawy processingu tego typu przyrządówPierwsze próby zostaną przeprowadzone w ciągu miesiąca.Milestones:-30.09.2009 Demonstracja emisji ze struktury typu SLED o długości fali 405 nm- 30.09.2011 Osiągnięcie mocy 20 mW z diody superluminescencyjnej13

Uzyskane wyniki – matryce laserowe-minilinijkiWykonaliśmy następujące struktury:3, 7 m szerokośd paska20,40, 60 m stała linijki500-700 m długośd rezonatora14

Linijki – struktura epitaksjalna• Struktury epitaksjalne MOCVD• Wyjsciowa ilośd dyslokacji rzędu10 2 cm -2• Koocowa ilośd dyslokacji 10 4 -10 5 15

Azotkowe minilinijki - trójpaskoweMINI LinijkiPhoto of our structureProcesowana jako „oxide isolated ridgewaveguide”chipsy(300 m x 500 m) montowane p-dodołu na heat spreaderach diementowychPaski są połączone równolegleCladding: 0.35 mAl 0.08Ga 0.92NEBL: Mg-doped Al 0.2Ga 0.8N3 quantum wellsCladding: 0.55 m ,Al 0.08Ga 0.92NInGaN- 1.9 % (3.5 nm)Si: InGaN- 10 % (8 nm)P-AlGaNGaN (0.1m)P + AlGaN (20 nm)MQWGaN (0.1m)N-AlGaNN-GaNPraca CW w Temp ~ 20 C16

optical power (W)Intensity [arb. units]Parametry przyrządów3 x 3m, pitch 40 mMaksymalna moc optyczna250 mWBardzo wąskie widmo (1.5 Å)Quasi-jedno modowy0.25stripe 3 m x 3m9I=1030 mA0.200.1560.1030.050.000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4Current (A)0380 400 420 440Wavelength (nm)17

Parametry przyrządów3 x 3m, pitch 40 mPomiary pola dalekiego• Bezpośrednia projekcja na matrycę CCD.Pod progiemOkoło proguNad progiemTTTLLLT - TRANSVERSALL - LATERAL direction18

Supermod?Nagła zamiana obrazu pola dalekiego sugeruje tworzenie supermodu.Efekt dziwny dla relatywnie dużej odległości między paskami – 40 mDlaczego efektywność sprzężenia jest tak wysoka:Dwa mechanizmy:Bezpośrednie sprzężenie przez zanikające falePośrednie sprzężenie przez mod podłożowySubstrate mode19

obraz pola bliskiegoprzyrząd 3 x 7m, pitch 20 mPropagacja 3 falodpowiada wersjikoherentnej20

Milestones:31.03.2009 - Demonstracja 10 emiterowej linijkilaserowej (nieadresowanej).30.09.2010 - Osiągnięcie mocy optycznej > 1 W dla linijkilaserowej31.03.2011 - Demonstracja adresowalnej, 10 emiterowejlinijki laserowej dla długości fali z przedziału 400-430