МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР С НЕЛИНЕЙНОЙ МИКРОКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ
POWERFUL SEMICONDUCTOR LASER WITH NONLINEAR MICROCHANNEL COOLING SYSTEM

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к производству СВЧ мощных арсенид-галлиевых дискретных приборов и интегральных микросхем, силовых гибридных модулей, компьютерных микросхем и плат, а также может быть использовано в оптоэлектронике для исследования, разработки и производства мощных полупроводниковых лазеров, лазерных полупроводниковых матриц и лазерных систем на их основе.
Значительная зависимость электрооптических характеристик лазерного излучения, надежности и сроков функционирования полупроводниковых лазеров от температуры и тот факт, что в одной лазерной матрице в непрерывном режиме могут работать сотни мощных лазерных диодов, размещенных на одном квадратном сантиметре, в течение многих часов, выдвигают на одно из первых мест задачу создания лазерных систем, работающих при заданной температуре без каких-либо отклонений температуры в микрообъемах по длине и по площади излучающих систем.
Искажение профиля лазерного излучения в ближнем и дальнем полях (Smile), также как и неоднородность распределения оптической мощности в эмиттерах связаны с температурной неоднородностью. Эффект аномального влияния температуры на модовый состав лазерного излучения полупроводниковых лазеров анализируется в работе [1].
Целью изобретения является достижение одинаковой температуры на плоскости кристалл-корпус (кулер) по всей длине кристаллов (линеек лазерных диодов), работающих в непрерывном режиме.
В работе [2] описан полупроводниковый лазер, схема которого представлена на фиг.1. В этой конструкции с целью эффективного отвода тепла от работающего в непрерывном режиме арсенид-галлиевого кристалла 1 предусмотрена X-Y-Z система охлаждения 2. Вертикальные микроканалы 3 и параллельные каналы 4, предназначенные для циркуляции охлаждающей жидкости, объединены в три ориентированные взаимно перпендикулярно подсистемы микроканалов [3]. Обеспечивая максимальную однородность охлаждения на плоскости корпуса, система X-Y-Z не учитывает факт неоднородного выделения тепла диодами по длине линейки Lx - центральные диоды при прочих равных условиях нагреваются сильнее, фиг.2.
x
Оптической мощности лазерного излучения 50 Вт при токе накачки 50 А и напряжении 1.6 В на один кристалл соответствует smile, фиг.3, сходный по геометрии с зависимостью ΔТ(L):
при хороших электрических характеристиках лазера - оптические свойства его неприемлемы.
x
Анализ лазерной МОП системы, фиг.1, и экспериментальные данные, фиг.2 и 3, свидетельствуют о том, что самым критическим, самым горячим и самым нестабильным местом является геометрическое место точек по оси Х кристалла, где контактирует активная область полупроводникового (П) кристалла с окислами (О) выходного зеркала, жестко соединенными с многослойным металлическим (М) композитом, составляющим основу межсоединения «кристалл-корпус». Разная величина перегрева активной области по длине линейки лазерных диодов ΔT(L) зависит от координаты эмиттера X, так как излучающая система - это монолитная интегральная схема в форме 100 мкм многослойной арсенид-галлиевой пленки, длина которой (10 мм) в 100 раз превышает толщину и в 10 раз размер резонатора (расстояние между зеркалами).
Температурное поле по длине линейки, содержащей n дискретных лазеров, при однородном охлаждении контактной плоскости корпуса определяется как:
х1
х/2
Xn
ΔТ<ΔТ>ΔT
t
Главной задачей при создании высококачественных лазеров является разработка таких МОП систем и таких конструктивно-технологических решений, которые при резком уменьшении теплового сопротивления R лазерных межсоединений, могли бы свести smile до минимума и дали бы однородное температурное поле на граничной (контактной) плоскости в системе «кристалл-корпус»:
х1
х/2
Xn
ΔТ=ΔТ=ΔT
Smile<±0,5 мкм
t
R=(0.01÷0.3)°C/Bm,
применительно к лазерам, работающим в микронном диапазоне длин волн в CW режиме с излучением мощностью более 50 Вт на один кристалл (КПД>60%) с шириной спектра генерации не более 3 нм.
Известна многокристалльная лазерная матрица, в которой кристаллы присоединяют к металлизированной стороне синтетического алмаза; затем алмазы с кристаллами устанавливают на микроканальном водоохлаждаемом корпусе [4]. Однако микроканалы одинакового сечения, равномерно распределенные в корпусе, не устраняют нелинейное температурное поле по длине кристаллов. Кроме того, сложная технология и дорогие материалы значительно удорожают продукцию.
Прототипом предлагаемого изобретения является многокристальная матрица, каждый кристалл (линейка) в которой монтируется между тонкими водоохлаждаемыми балками (кулерами). Система таких балок (кулеров) смонтирована в одном корпусе и представляет лазерную матрицу [5]. Однако эта высокотехнологичная и достаточно эффективная матрица имеет существенный недостаток: эквидистантно расположенные прямоугольные щелевые микроканалы одинакового сечения, создавая однородное охлаждение на плоскости кулеров, не устраняют нелинейное температурное поле по длине линеек.
Все проанализированные нами полупроводниковые лазеры и лазерные полупроводниковые матрицы имеют этот существенный недостаток: каждый дискретный лазер в пределах одной линейки (кристалла) характеризуется разной величиной перегрева активной области. Важным обобщением, сделанным на основе изучения патентов, статей и непосредственно лазеров многих фирм и лазеров собственного производства, является вывод о том, что стремление фирм производить микроканальные системы охлаждения с однородным температурным полем на контактных плоскостях кулеров представляется глубоко ошибочным. Проведенный нами анализ приводит к противоположному выводу: температурное поле кулера (Heat-Sink) должно быть неоднородным. Идея состоит в том, что нелинейное температурное поле линеек (кристаллов) должно выпрямляться нелинейным температурным полем контактной плоскости кулера (теплообменника, корпуса).
Целью изобретения является достижение одинаковой температуры на плоскости кристалл-корпус (кулер) по всей длине кристаллов (линеек лазерных диодов) для всех диодов, работающих в непрерывном режиме.
T
Xn
Поставленная цель достигается тем, что: 1. мощная полупроводниковая лазерная матрица, состоящая из полупроводниковых кристаллов (линеек лазерных диодов - ЛЛД), в каждом из которых может содержаться от 19 до 100 параллельно включенных лазерных диодов, из микролинз, изолирующих прокладок, электродов и корпуса (кулера) или системы кулеров, в верхней контактной плоскости которых имеется система микроканалов для прохождения охлаждающей жидкости, отличающаяся тем, что микроканалы в верхней контактной плоскости кулеров по всей длине кристаллов Lx выполнены с переменным сечением, изменяющимся в соответствии с нелинейным температурным профилем Δ кристаллов, при работе лазера в непрерывном режиме.
2. Мощная полупроводниковая лазерная матрица по п.1, отличающаяся тем, что микроканалы в контактной плоскости кулеров по всей длине кристаллов могут быть выполнены с переменным шагом и переменным сечением.
3. Мощная полупроводниковая лазерная матрица по п.1, отличающаяся тем, что микроканалы в контактной плоскости кулеров по всей длине кристаллов могут быть выполнены в форме треугольников, вершина которых обращена в сторону лазерных диодов. Указанная форма микроканалов способствует оптимальному излучению теплового луча от работающего лазерного диода.
Технические решения по пунктам 1-3 использованы при изготовлении мощных полупроводниковых лазеров. На фиг.5 показана температурная шкала по оси Х при разных токах накачки для стандартных способов изготовления микроканалов: на фиг.6 - для лазера, изотовленного с учетом предложенных в изобретении новшеств. В последнем случае линейной температурной шкале в широком интервале токов накачки соответствует линейное распределение интенсивности лазерного излучения в дальней зоне (фиг.4) без признаков какого-либо смайла. На фиг.4 приведена также накладка кривой, изображенной на фиг.3, для сравнения результатов и для яркого подтверждения полученного эффекта от реализации изобретения. Для более полной характеристики лазера, изготовленного по изобретению, на фиг.7 показаны изотермы выходной оптической мощности на одну линейку в зависимости от величины тока накачки.
Изобретение применимо ко всем типам полупроводниковых лазеров и лазерных матриц с микроканальными системами охлаждения.
Изобретение отличается простотой технической реализации, особенно при использовании фотолитографии - базовой технологии в производстве изделий полупроводниковой электроники.
Изобретение способствует решению проблемы производства сверхмощных полупроводниковых лазерных матриц с высококачественным лазерным излучением, поскольку при его использовании уменьшается расходимость лазерного пучка, улучшается однородность пучка по сечению со значительно более высокой степенью когерентности излучения.
Изобретение увеличивает эффективность способов, направленных на получение сфазированного, высокоинтенсивного лазерного излучения с высоким коэффициентом полезного действия.
На приводимых в описании фигурах изображено следующее:
Фиг.1. Мощный полупроводниковый лазер с X-Y-Z микроканальной системой охлаждения: 1 - линейка лазерных диодов (кристалл). 2 - система охлаждения X-Y-Z. 3 - параллельные каналы X. 4 - вертикальные каналы каналы Z-Y. 5 - зеркало HR. 6 - зеркало AR. 7 - схема движения охлаждающей жидкости.
x
Фиг.2. Температура перегрева лазерных диодов по длине линейки (кристалла), ΔТ(L).
Фиг.3. Распределение интенсивности лазерного излучения по оси Х линейки (smile) в лазере с линейной системой отвода тепла.
Фиг.4. Распределение интенсивности лазерного излучения по оси Х линейки в лазере с нелинейной микроканальной системой охлаждения.
x
A
Фиг.5. Температурная зависимость ΔТ(L)I при токах I=20 А, I=30 А, I=40 A в режиме CW для лазеров с линейной микроканальной системой охлаждения (прототип).
A
Фиг.6. Температурная зависимость ΔT(Lx)I при токах I=20 A, I=30 А, I=40 A в режиме CW для лазеров с нелинейной микроканальной системой охлаждения (изобретение).
Фиг.7. Изотермы оптической мощности при токах накачки: 1 - 20°С, 2 - 30°С, 3 - 40˚С лазера с нелинейной системой охлаждения.
Литература
1. Weng W. Chow, David Depatie. Filamentation in Conventional Double Heterosructure and Quantum Well Semiconductor Lasers. IEEE Journal of Quantum Electronic. Vol 24, 7, 1988, 1297-1301.
2. Victor V. Apollonov, Vladimir A. Filonenko and others. Proceedings of SPIE. Vol.3889, 2000, 71-81.
3. Аполлонов В.В., Державин С.И., Кузьминов В.В., Машковский Д.А., Прохоров А.М., Тимошкин В.Н., Филоненко В.А.. «Теплообменник для мощных полупроводниковых лазеров». Патент на изобретение №2169977. Приоритет от 16.08.1999.
4. Mundinger and others. Appl. Phys. Lett., vol.57, 2172.
5. J.A.Skidmore and others. Appl. Phys. Lett., 66 (10), 6, 1995.