Квантовая термодинамика спектральной ширины

В стремлении к предельной согласованности, производительность узкополосный лазерный диод диктуется теоремой Шолоу-Таунса, которая связывает ширину спектра с плотностью фотонов в оптическом резонаторе и Скорость спонтанной эмиссии. Для стандартного лазера Фабри-Перо (ФП) ширина линии обычно находится в диапазоне нескольких сотен гигагерц. Однако для таких приложений, как интерферометрия или спектроскопия высокого разрешения, эта ширина должна быть подавлена на несколько порядков.

Достижение субмегагерцовой ширины линии требует отхода от архитектуры простых полупроводниковых переходов. Физика вращается вокруг увеличения времени жизни фотонов ($\tau_p$) внутри резонатора. Это достигается путем расширения резонатора за пределы самого полупроводникового чипа, создавая Внешняя полость Диодный лазер (ECDL) конфигурация. Введя частотно-селективный элемент - например, объемную брэгговскую решетку (VBG) или дифракционную решетку, - производители могут заставить лазер колебаться в одной продольной моде. Именно точность выбора частоты определяет переход от обычного источника света к прибору научного класса.

Динамика материалов: 638 нм AlGaInP против 785 нм AlGaAs

Проектирование 638 нм лазерный диод и 785 нм лазерный диод представляет собой две различные битвы против деградации материала и термической нестабильности. При длине волны 638 нм система материалов AlGaInP страдает от низкого уровня удержания носителей. Поскольку смещение полос между квантовой ямой и p-оболочкой относительно невелико, электроны легко покидают активную область при повышении температуры. Этот “перелив носителей” приводит к значительному увеличению Скорость спонтанной эмиссии за пределами желаемого режима, что проявляется в виде повышенного спектрального шума.

В отличие от 785 нм лазерный диод, Прибор на основе AlGaAs обладает высоким коэффициентом усиления, но страдает от высоких скоростей поверхностной рекомбинации на гранях. Это делает его особенно восприимчивым к катастрофическому оптическому повреждению (КОД) при высоких уровнях мощности. Для достижения лазер с дифракционным ограничением для выхода на длину волны 785 нм эпитаксиальная структура должна включать гетероструктуры с градиентным индексом и раздельным конфайнментом (GRINSCH). Такая конструкция обеспечивает вертикальное распределение оптического поля, снижая интенсивность на грани и сохраняя при этом высокое перекрытие со средой усиления. Стабильность этого интерфейса является основным фактором долговременной надежности систем рамановской спектроскопии.

Достижение дифракционного предела: роль геометрии волновода

A лазер с дифракционным ограничением характеризуется коэффициентом $M^2$, приближающимся к 1,0, что означает, что луч следует идеальным гауссовым законам распространения. В полупроводниковый лазер, Качество луча определяется геометрией “гребневого волновода” (RWG). Гребень должен быть достаточно узким - обычно от 2,0 $\mu m$ до 3,5 $\mu m$ - чтобы обеспечить колебания только основной поперечной моды.

Однако по мере уменьшения ширины гребня для достижения лазер с дифракционным ограничением профиль Термическое сопротивление ($R_{th}$) устройства увеличивается. Это создает локализованный “остров тепла” на стыке. Это тепло вызывает градиент показателя преломления, известный как тепловое линзирование, которое может исказить волновой фронт и вызвать отклонение луча от дифракционного предела. Поэтому в процессе производства необходимо использовать “субмикронную литографию”, чтобы стенки гребня были идеально вертикальными и гладкими. Любая неровность на боковых стенках гребня действует как центр рассеяния, увеличивая внутренние потери и расширяя ширину линии.

Упаковка "Бабочка": Убежище тепловой и механической стабильности

Для любого высокоточного OEM-приложения Лазерный диод в упаковке "бабочка не зря является отраслевым стандартом. В отличие от корпусов TO-can, 14-контактный модуль "бабочка" предназначен для изоляции лазерного чипа от хаотичной внешней среды. Основой такой изоляции является интеграция внутреннего термоэлектрического охладителя (TEC) и высокочувствительного термистора NTC.

The Термическое сопротивление ($R_{th}$) от спая до корпуса является наиболее критическим параметром в Лазерный диод в упаковке "бабочка. Устанавливая лазерную матрицу на подложку из нитрида алюминия (AlN), обладающую высокой теплопроводностью и соответствующую коэффициенту теплового расширения (CTE) лазерного чипа, производитель может эффективно “отводить” тепло от активной области.

Кроме того, пакет "Бабочка" позволяет интегрировать постоянный Диодный лазер с внешним резонатором (ECDL) установка с использованием VBG. Эта решетка расположена в герметичном корпусе, всего в микронах от грани лазера. Поскольку VBG термически привязана к тому же TEC, что и лазерный чип, весь спектральный выход становится невосприимчивым к колебаниям температуры окружающей среды. Такой уровень интеграции позволяет 785 нм лазерный диод поддерживать свою частоту с точностью до 0,005 нм в течение тысяч часов работы.

Анализ данных: Архитектура пакета и спектральная производительность

В следующей таблице приведены различия в производительности между различными стратегиями упаковки и стабилизации для красных и БИК-диодов. Эти данные подчеркивают показатели “качества компонентов”, которые влияют на “общую стоимость системы”.”

Тематическое исследование: Субнанометровая интерферометрия для метрологии полупроводников

История клиента:

Ведущему производителю инструментов для контроля литографии требовался высокостабильный лазерный диод с длиной волны 638 нм для интерферометра, измеряющего перемещение. Система должна была измерять положение ступени с пластинами с разрешением 0,5 нанометра.

Технические проблемы:

Предыдущий источник 638 нм демонстрировал высокий уровень “фазового шума”, что приводило к дрожанию при измерении расстояния. Кроме того, луч не был идеально дифракционно ограничен, что приводило к искажениям волнового фронта при прохождении луча через длинноходовые рукава интерферометра. Это требовало частой перекалибровки всего метрологического инструмента, что обходилось конечному пользователю в тысячи долларов за простои.

Технические параметры и настройки:

• Центральная длина волны: 638 нм ± 0,5 нм.
• Ширина линии: < 10 МГц (ультраузкий для высокой длины когерентности).
• Упаковка: 14-контактный Лазерный диод в упаковке "бабочка.
• Оптоволоконный выход: Поляризационно-удерживающее (PM) волокно с коэффициентом экстинкции > 20 дБ.
• Рабочая температура: Фиксируется при 25°C ± 0,01°C.

QC и инженерное решение:

Раствор представлял собой узкополосный лазерный диод сконфигурирован как диодный лазер с внешней полостью (ECDL) с VBG, заблокированным на 638 нм. Для достижения дифракционного ограничения лазера мы использовали автоматизированный стенд для оптической юстировки, чтобы направить свет в PM-волокно с эффективностью 75%.

Протокол контроля качества включал “характеристику фазового шума” с использованием самогетеродинного интерферометра с задержкой. Мы также провели 48-часовой “Тест на фиксацию длины волны”, в ходе которого диод подвергался колебаниям температуры окружающей среды от 15°C до 45°C. Встроенный TEC в корпусе "бабочка" поддерживал внутреннюю температуру спая настолько точно, что сдвиг длины волны не был обнаружен волномером высокого разрешения заказчика.

Заключение:

Перейдя на источник в корпусе “бабочка” с узкой полосой пропускания, метрологическая фирма добилась 4-кратного улучшения стабильности измерений. Фазовый джиттер" был уменьшен на 85%, что позволило достичь разрешения измерений 0,2 нм. Хотя первоначальный цена лазерного диода была значительно выше, чем у предыдущего решения TO-can, клиент избавился от необходимости ежемесячного обслуживания, что привело к окупаемости инвестиций в 200% в течение первого года.

Скрытая стоимость “бюджетных” диодов в системах OEM

С точки зрения производителя, “цена” диода часто является показателем “глубины тестирования”. A 785 нм лазерный диод который продается без упаковки “бабочка” или стабилизации VBG, по сути, является незаконченным компонентом. Для OEM-производителя "айсберг стоимости" дешевого диода включает в себя:

1. Термический дрейф: Требуются сложные программные алгоритмы для компенсации сдвигов длины волны.
2. Переключение режимов: Это приводит к внезапным пробелам в данных, получаемых при рамановском анализе или зондировании.
3. Лучевой астигматизм: Необходимость в дорогостоящей внешней микрооптике для коррекции формы луча.

Инвестируя в Лазерный диод в упаковке "бабочка с лазер с дифракционным ограничением На выходе OEM-производитель перекладывает сложную оптическую и тепловую инженерию на производителя. Это позволяет системному интегратору сосредоточиться на своем основном программном обеспечении и прикладной логике, значительно сокращая “время выхода на рынок”.”

Профессиональные вопросы и ответы

Вопрос: Как “длина когерентности” связана с шириной линии 785-нм лазера?

A: Длина когерентности ($L_c$) обратно пропорциональна ширине линии ($\Delta \nu$). Для узкополосного лазерного диода с шириной полосы пропускания 1 МГц длина когерентности может превышать 100 метров. Это очень важно для интерферометрии на больших расстояниях или 3D-зондирования. У стандартного 785-нм FP-диода длина когерентности составляет всего несколько миллиметров.

В: Почему твердый припой (AuSn) является обязательным для корпусов типа “бабочка”?

О: Твердый припой предотвращает “ползучесть припоя”. В лазерном диоде в корпусе “бабочка” микрооптика и лазерная матрица выровнены с субмикронной точностью. Если бы использовался мягкий припой, например индиевый, компоненты со временем "дрейфовали" бы из-за термоциклирования, разрушая ограниченный дифракцией профиль лазерного луча и эффективность волоконной связи.

Вопрос: Можно ли модулировать узкополосный лазерный диод на высоких скоростях?

О: Лазеры с внешним резонатором (с VBG-блокировкой) можно модулировать, но скорость модуляции ограничена по сравнению с DFB-лазером. Для гигагерцовых скоростей рекомендуется использовать внешний акустооптический модулятор (AOM), чтобы избежать “частотного дрожания” во время цикла модуляции, которое увеличивает ширину линии.

Вопрос: Что такое коэффициент подавления бокового режима (SMSR) и почему он имеет значение?

О: SMSR - это отношение мощности основной продольной моды к мощности самой сильной побочной моды. В лазерном диоде 785 нм для рамановской спектроскопии высокий SMSR (>40 дБ) необходим для того, чтобы рамановский сигнал не загрязнялся “призрачными пиками” от вторичных лазерных мод.