Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Измерение энергетических параметров излучения полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерителя Lab Max-Top: Учебно-методическое пособие

Голосов: 0

Настоящее методическое пособие посвящено изучению энергетических параметров полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерительного прибора Lab Max-Top. Изложены физические принципы работы приемников излучения (термопарные и пироэлектрические датчики), входящих в комплект оборудования Lab Max-Top, устройство и правила эксплуатации измерительного прибора, принцип работы и основные этапы изготовления объектов исследования (полупроводниковых лазерных диодов), получение и передача данных, обработка результатов. Электронное учебно-методическое пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов ННГУ, обучающихся по основной профессиональной образовательной программе аспирантуры 01.04.10 "Физика полупроводников", изучающих курсы "Физика лазеров", "Нанофотоника".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                3.3. Сохранение данных.

    Сохранить полученные данные можно, выполнив следующие этапы:




Рис.8а. Фронтальная панель измерителя        Рис.8б. Фронтальная панель измерителя
LabMax-Top. Этапы сохранение данных.         LabMax-Top. Этапы сохранение данных.


1. После проведения измерений нажмать кнопку 1 – направление (рис. 8 а).
2. Клавишей 2 – File Manager задать путь сохранения данных /локальный
   носитель.
3. Нажать Ввод – 3.
4. Нажать 4 – установить направление.
5. Задать величину выборки в памяти устройства, выделяемую для
   сохранения данных.
6. Нажать сохранить – 6.
7. Создать файл –7
8. Задать имя файла.
9. Сохранить – 9.
10. Нажать Старт – 10.
11. Когда завершится процесс заполнения выделенного объема памяти,
   нажать Сброс – 11.




                                        21


                       3.4. Перенесение данных на Flesh-носитель.

     Выполняются следующие шаги:




 Рис.9. Фронтальная панель измерителя LabMax-Top. Этапы перенесения данных на Flesh-
                                      носитель.


1. Подключить flesh-носитель к разьему на боковой панели – 1 (рис.9).
2. Нажать кнопку направление – 2.
3. Клавишей 3 – File Manager задать путь сохранения данных /локальный
носитель.
4. Выделить цветом (подсветкой) файл, который хотите сохранить.
5. Нажать клавишу 5 – копирование файла.
6. Клавишей 6 выбрать папку, в которую будет производиться копирование.
7. Нажать кнопку Ввод.




                                           22


  Глава 4. Описание методик измерения энергетических характеристик.

   По способу накачки испытуемого лазерного диода можно выделить две
методики измерения энергетических характеристик полупроводникового
лазера:

1) Методика измерения энергетических характеристик в непрерывном режиме
накачки.
2) Методика измерения энергетических характеристик в импульсном
(импульсно-периодическом) режиме накачки.


        4.1. Методика измерения энергетических характеристик
                   в непрерывном режиме накачки.

  Для реализации данной методики необходимо собрать рабочую схему, как
показано на рис. 10.


                                                1




                                                    4       2

                                                        3
                                                    5
                                  6



        Рис.10. Блок-схема установки для измерения энергетических характеристик
        в режиме непрерывной токовой: 1 – источник тока лазера, 2 – источник тока
        элемента Пельтье, 3 – держатель полупроводникового лазера с элементом
        Пельтье, 4 – полупроводниковый лазер, 5 – приёмник излучения, 5 –
        измеритель LabMax-Top.


  Подключение измерителя и датчика производится по инструкции,
приведенной в разделе 3.2. Для питания лазера и элемента Пельтье
используются источники постоянного тока (1, 2). Исследуемый лазерный диод
(3), укрепленный на медном держателе, фиксируют на держателе с элементом
Пельтье (4), приёмник излучения (5) устанавливают вблизи излучающей грани
лазера. Энергетические параметры лазерного диода фиксируются измерителем
LabMax-Top (6). Необходимо обратить внимание на то, что для лазера в
непрерывном режиме накачки применяется принудительное охлаждение
(температурная стабилизация), например, с помощью элемента Пельтье.
                                           23


 4.2. Методика измерения энергетических характеристик в импульсном
             (импульсно-периодическом) режиме накачки.

  Для реализации такой методики необходимо собрать рабочую схему, как
показано на рис. 11.


                              6
                                              1




                                         2            4     5
                             И И-П

                                  7      8        3

    Рис.11. Блок-схема установки для измерения энергетических характеристик в
    импульсном и импульсно-периодическом режимах накачки: 1 – источник питания
    генератора импульсов, 2 – генератор импульсов, 3 – лазерный диод, 4 – приемник
    излучения, 5 - измеритель LabMax-Top, 6 - электронный осциллограф Tektronix
    TDS5054B, 7 – переключатель режима накачки (И – импульный, И-П – импульсно-
    периодический), 8 – кнопка запуска импульса тока накачки.


  Подключение измерителя и датчика производится по инструкции,
приведенной в разделе 3.1. Приемник излучения (4) устанавливается вблизи
излучающей грани полупроводникового лазера (3). Для визуализации
подаваемого импульса тока и определения его величины используется
электронный осциллограф Tektronix TDS5054B (6), выходные энергетические
параметры лазерного диода фиксируются измерителем LabMax-Top (5). Для
питания лазерного диода используют генератор импульсного тока (2).
Переключение режима работы генератора импульсов производится
переключателем (7), запуск импульса осуществляется вручную кнопкой (8).
 При квазинепрерывном режиме накачки (особенно при токах накачки
значительно превышающих пороговое значение) целесообразно использовать
принудительное охлаждение лазерного чипа. Если одновременно с измерением
энергетических характеристик с помощью осциллографа Tektronix TDS5054B
контролировать падение напряжения на лазере, то можно построить
зависимость КПД от тока накачки. Пример подобной зависимости в
приложении 3.




                                         24


               Глава 5. Подготовка образцов к измерению.

  Объектами измерений являются полупроводниковые лазерные диоды,
изготовление которых включает в себя следующие основные этапы:

1) Выращивание лазерной InGaAs/GaAs/InGaP гетероструктуры методом
МОС-гидридной эпитаксии.
Лазерная гетероструктура на подложке n-GaAs создается методом газофазной
эпитаксии (ориентирванный рост кристаллов) из метало-органических
соединений (МОС-гидридная эпитаксия): газовая смесь при высокой
температуре пиролитически разлагается вблизи поверхности роста, и элементы
третьей группы взаимодействуют с элементами пятой группы, образуя
соединения AIIIBV. В результате происходит послойное формирование
полупроводникового соединения. Для получения слоев с необходимым типом
проводимости, в процессе роста в газовую смесь добавляют специальный
легирующий компонент, например: силан (SiH4) для получения слоев n-типа,
диэтил цинк - для слоев р-типа. Таким образом, формируются слои
гетероструктуры, выполняющие роль волноводных (i-GaAs слои),
ограничивающих (n-InGaP и р-InGaP слои), контактного p-GaAs слоя и
активной области (InGaAs квантовая яма) полупроводникового лазера (рис.12).


                    Контактный слой                    Волноводный слой
             Ограничивающий слой p-типа
                                                         Активная область
             Ограничивающий слой n-типа
                                                       Волноводный слой

                Подложка n-GaAs




     Рис.12. Схема лазерной гетероструктуры с квантово-размерной активной областью


  Выращенная гетероструктура проходит серию постростовых этапов
обработки, которые могут отличаться. Ниже представлены некоторые
основные этапы:



                                          25


2) Формирование полосковой геометрии активной области на лазерной
гетероструктуре.
На выращенной лазерной структуре фотолитографическим способом с
применением химической обработки (травление контактного слоя вне активной
полоски) сформируется полосковая геометрия активной области.

3)   Формирование высокоомных областей на лазерной гетероструктуре
методом ионной имплантации.
Для электрической изоляции структуры вне активной области вскрытую
поверхность ограничивающего слоя подвергают имплантации ионами Н+.

4)   Создание омических контактов на лазерной гетероструктуре
термическим испарением.
Омические контакты на лазерную гетероструктуру наносятся методом
термического испарения в вакууме.

5) Разделение лазерной структуры на чипы.
Завершающим этапом серии постростовой обработки, является разделение
лазерной    структуры     на    чипы. Структура  раскалывается    по
кристаллографическим плоскостям (110), сколотые грани чипа служат
зеркалами резонатора гетеролазера.
    На рис.13 представлен внешний вид бруска готовой лазерной
гетероструктуры.


                                    3            Lрез



                      W
                                                        2
                      1




        Рис.13. Внешний вид бруска лазерной структуры. 1, 2 – зеркала
        резонатора, 3 – активная область, W – ширина лазерного чипа,
        Lрез – длина резонатора.


6) Монтаж лазерных чипов на теплоотвод.
Прошедшая серию постростовых этапов обработки и расколотая на чипы,
структура эпитаксиальными слоями припаивается к теплоотводу. Теплоотвод в
                                        26


свою очередь выполняет также функцию одного из электрического контакта.
Непосредственно монтаж лазерных чипов производится на установке
FINEPLACER-lambda рис 14. Второй электрический контакт формируется с
помощью металлической перемычки посредством ультразвуковой сварки или
индиевого припоя через контактную площадку,         установленную на
теплоотводе.




    Рис.14. Установка сверхточного монтажа лазерных чипов FINEPLACER-lambda




                                        27


            Глава 6. Подготовка оборудования к измерению.

   Для реализации одной из схем измерений (см. пункт 4.1, 4.2) необходимо,
определиться с выбором приемника излучения и установить требуемые
параметры измерений.
   Параметры пироэлектрических и термопарных датчиков, входящих в
комплект измерительного оборудования (пункт 3) приведены в таблицах 1 и 2.

   Таблица.1. Параметры пироэлектрических датчиков.

Пироэлект Диапазон        Диапазон        Средняя     Длительно        Частота
рические    длин         энергий, Дж     мощность        сть         следования
 датчики волн, мкм                       лазерного    лазерного       лазерных
                                         импульса,    импульса,      импульсов,
                                             Вт          мкс            имп/с

J10MB-LE     0.19 - 12   3*10-7-6*10-4        0-4           до 17      1 - 1000
J25MB-HE     0.19 - 12    5*10-4 - 1          0-5           до 17      1 - 1000

    Таблица.2. Параметры термопарных датчиков

 Термопарные      Диапазон      Диапазон        Плотность           Плотность
   датчики       длин волн,    мощностей,       мощности             энергии
                    мкм            Вт           лазерного           лазерного
                                                импульса,           импульса,
                                                 кВт/см2             Дж/см2

PM10              0.19 - 11      0,01 - 10          до 26             до 0.6
PM300F-50         0.19 - 11       1 - 300             -                 -

    Для измерения энергетических характеристик лазерного диода,
работающего в непрерывном режиме и излучающего в ближнем
инфракрасном диапазоне, используют термопарные датчики. Если мощность
лазерного излучения, предположительно, находится в диапазоне от 100
микроватт до единиц ватт, то наиболее приемлемым вариантом будет
использование датчика модели РМ10.
  Для измерения энергетических характеристик лазера импульсного режима,
работающего     в   ближнем    инфракрасном     диапазоне,   применяют
пироэлектрические приемники. Детектирование излучения гетеролазеров с,
предположительно, высокой энергетикой (выше 500 мкДж) целесообразно
проводить датчиком модели J25MB-HE.

                                         28


   Перед проведением энергетических измерений необходимо исследовать
расходимость лазерного излучения, поскольку для получения достоверных
результатов необходимо, чтобы лазерное излучение полностью собиралось
активной областью приемника. Кроме этого, вне зависимости от типа датчика,
важно помнить, что превышение допустимой плотности мощности (энергии)
на единицу площади поверхности активной области датчика может привести
к выходу из строя измерительного оборудования. Размеры активной области
приемников, входящих в комплект измерительного оборудования LabMax-
Top, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Размер активной области приемника излучения.
 Модель датчика    J10MB-LE       J25MB-HE        PM10       PM300F-50
    Диаметр
    активной       не менее 10   не менее 25   не менее 19   не менее 50
   области, мм




                                      29


              Глава 7. Получение и обработка результатов.

   Данные, получаемые с измерителя LabMax-Top по одной из методик,
описанных в разделе 5, переносят на компьютер. На основании полученных
данных строят следующие зависимости:

1. В случае накачки одиночным импульсом тока получают:
- энергетическую зависимость лазерного излучения от тока накачки.
- мощность лазерного излучения от тока накачки.
- коэффициент полезного действия (КПД) от тока накачки.
Энергетические характеристики лазерного диода, полученные в режиме
накачки одиночным импульсом тока, приведены в приложении 3.

2. В случае импульсного, квазинепрерывного или непрерывного режимов
накачки, выходной характеристикой является зависимость мощности
излучения лазера от тока накачки (Ватт-амперная характеристика - ВтАХ). На
основании выходных данных измерителя, перенесенных на компьютер
строится ВтАХ, из которой определяют следующие параметры:
- пороговый ток Iп (путем экстраполяции участка ВтАХ, имеющего больший
угол наклона к оси токов – после пороговая область)
- внешняя квантовая эффективность ηex. Определяется по углу наклона после
пороговой области ватт-амперной характкристики.
- коэффициент полезного действия (КПД) ηс. Определяют как отношение
выходной оптической мощности Рout к подводимой электрической мощности:
                                      Pout
                              ηc =                                  (11)
                                     I ⋅U
   Кроме того, существуют дополнительные возможности измерителя LabMax-
Top, позволяющие в режиме реального времени наблюдать форму лазерного
импульса, по которому определяются энергетические параметры, описанные в
разделе 2.3.
  Электронный осциллограф Tektronix TDS5054B, подключенный к
измерительной схеме (пункт 5.1, 5.2), позволяет визуализировать форму
реального импульса, подводимого к лазерному диоду, и передать данные на
компьютер. По форме импульса может быть определена реальная
электрическая мощность, подводимая к лазерному диоду.

                                 ***
    Составители выражают благодарность Горшенину М.К. за помощь в
              оформлении данного методического пособия.




                                     30



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика