Dynamika nagrzewania obszaru aktywnego diod laserowych z symetryczną i asymetryczną heterostrukturą - porównanie metodą czasowo-rozdzielczej spektroskopii

Przedstawiono wyniki prac porównawczych nad diodami laserowymi dużej mocy o symetrycznej i asymetrycznej konstrukcji heterostruktury, na pasmo 800 nm. Istotą konstrukcji asymetrycznej jest zastosowanie pasywnej warstwy falowodowej po stronie n, przez co rozkład pola optycznego generowanego promieniowania przesuwa się na tę stronę. Związane z tym zmniejszenie strat na swobodnych nośnikach umożliwia zwiększenie mocy emitowanego promieniowania diod laserowych poprzez rozszerzenie (w płaszczyźnie prostopadłej do złącza) przesuniętego rozkładu pola optycznego i wydłużenie rezonatora. Przesunięcie pola optycznego na stronę n umożliwia jednocześnie zmniejszenie grubości warstwy p-emitera, przez co oczekiwane jest zmniejszenie rezystancji (termicznej i elektrycznej) heterostruktury. Zostało to potwierdzone przez pomiary niestacjonarnych procesów cieplnych techniką czasowo-rozdzielczej spektroskopii. W pracy impulsowej diod laserowych zaobserwowano znacznie mniejsze przesunięcie termiczne widma promieniowania w ciągu pierwszych mikrosekund od czoła impulsu w przyrządach skonstruowanych na bazie heterostruktury asymetrycznej w porównaniu z diodami wykonanymi z heterostruktur symetrycznych. Tak szybkie (rzędu pojedynczych μs) procesy cieplne mogą być związane tylko z najbliższym otoczeniem warstwy aktywnej, zatem głównie z wysokorezystywną warstwą p-emitera. W artykule przedstawiono technikę badania procesów cieplnych w obszarze aktywnym DL metodą czasowo-rozdzielczej spektroskopii z zastosowaniem kamery ICCD firmy Andor. Ze względu na rozdzielczość czasową znacznie poniżej l μs (z bramką do 2 ns), technika ta dostarcza informacji o szybkich, niestacjonarnych procesach w obszarze aktywnym i jego najbliższym otoczeniu. Jest zatem bardzo pomocna w ocenie konstrukcji przyrządów. Przedstawione wyniki pokazują, że konwencjonalna technika wyliczania rezystancji termicznej diod pracujących w warunkach CW może prowadzić do wniosków niezgodnych z wnioskami z pomiarów techniką czasowo-rozdzielczej spektroskopii. Wskazano możliwe przyczyny tych rozbieżności.

The results of comparative investigations on 800-nm-band high-power laser diodes based on symmetric and asymmetric heterostructure design are presented. The idea of asymmetric heterostructure design is the insertion of a passive waveguide layer at the heterostructure's n-side whereby a field distribution of generated radiation shifts toward this side. Resulting decrease in free-carrier loss allows increasing of emitted radiation power by widening (perpendicular to the junction plane) of shifted optical field distribution and by laser cavity elongation. The shift of the optical field distribution toward the heterostructure n-side makes simultaneously possible a reduction of p-cladding layer thickness, which should cause a decrease of its thermal and electrical resistances. This has been confirmed by time-resolved spectroscopy measurements of transient thermal processes in laser diodes. In pulse operation, distinctly less thermal shift of lasing spectrum during the first (2 to 5) microseconds after the pulse start has been observed in asymmetric-design devices compared to symmetric ones. Such fast thermal processes can be connected only with the nearest vicinity of the active region i.e. mainly with the highly resistive p-cladding layer. Presented results show that conventional steady-state technique of thermal resistance measurements for CW operating laser diodes can sometimes lead to conclusions inconsistent with these obtained by the time-resolved spectroscopy. Possible reasons of the discrepancy are indicated.