לייזרי מפל קוונטיים להספק גבוה

C. Kumar N. Patel, Pranalytica

לייזרי מפל קוונטיים (Quantum Cascade Laser – QCL) בהספק גבוה לתחומי האינפרה אדום בגלים בינוניים (MWIR) ובגלים ארוכים (LWIR) משמשים ביישומים חדשים, כגון הגנה על מטוסים צבאיים ואזרחיים מפני טילי כתף, הארה וציון מטרות. יישומים אזרחיים נוספים כוללים תקשורת אופטית בחלל הפתוח, גילוי עקבות גז בהתבסס על ספקטרוסקופיה פוטו–אקוסטית וחישה מרחוק. התפתחויות שנעשו לאחרונה הדגימו לייזר גל רציף עם הספק מוצא של 3 וואט בטמפרטורת החדר ויעילות הלייזרים wall plug efficiency גבוהה מ–15% באורך גל של 4.6 מיקרו–מטר.

מבנה האזור הפעיל
לייזר QCL הוא לייזר חד–קוטבי המבוסס על מעברים בין שכבות במבנה הטרוגני במוליך למחצה. רוב הפרמטרים המשפיעים על פעולתו של לייזר מסוג זה אינם פנימיים לחומר, אלא תלויים מאוד במבנה האזור הפעיל. האתגר שעומד בפני המתכננים, אם כן, הוא ההתאמה של הפרמטרים השונים המשפיעים על ביצועי הלייזר לפעולה בו–זמנית במבנה יחיד.
רוב הלייזרים מסוג QCL שמיוצרים כיום, מתוכננים עם שני פונונים, כאשר לאחר המעבר המפיק פליטה מרמה 4 לרמה 3 מופיעים שני מעברים עוקבים לרמות 2 ו–1 ללא פליטה (איור 1). מרווחי האנרגיה E32 ו–E21 מתוכננים להיות שווים בערכם לאנרגיית הפונון האופטי האורכי (ELO) (בערך של 35 מגה–אלקטרון–וולט ב–InGaAs) וגורמים למשך חיים קצר של האלקטרונים ברמות 2 ו–3. בזכות ההכפלה של מרווחי האנרגיה, יש לתכנון הזה יתרון של אוכלוסייה קטנה יותר של נושאי מטען ברמה 3 הנמוכה. ואולם, כאשר עומדים בתנאי ההגבלה של שני פונונים, קיימת הגבלה בשינוי הפרמטרים האחרים, מפני שעובי שכבות האזור הפעיל נקבע על ידי תנאי התהודה ואנרגיית המעבר הרצויה.
קשה במיוחד להגדיל את מרווח האנרגיה E54 שבין רמת הלייזר העליונה 4 ורמת האזור הפעיל 5 שמעליה, מאחר שרמה 5 ממוקמת בדרך כלל באותו בור קוונטי שבו נמצאות רמות האזור הפעיל הנמוכות 2 ו–1. אחת הדרכים לשיפור גמישות התכנון היא על ידי הסרה של תנאי תהודת שני הפונונים, מבלי להקריב את שליפת נושאי המטען משכבת הלייזר התחתונה. משך החיים   של נושא מטען עבור רמת אנרגיה   נתון בנוסחה:
(1)

כאשר   הוא זמן הפיזור מרמת האנרגיה   לרמת f סופית והסיכום הוא על פני כל המצבים הסופיים האפשריים. זמן המעבר של כל נושא מטען   מגיע למינימום כאשר מרווח האנרגיה Eif שווה ל–ELO ועולה באופן מונוטוני כאשר Eif עולה מעל ל–ELO. משוואה (1) לעיל מראה שאפשר להגדיל במידה משמעותית את מרווח האנרגיה E21 מבלי להגדיל את   ובתנאי שקיימות לפחות שתי רמות סופיות למעבר מרמה 2, 1 ו–’1. חשוב שלפונקציות הגל של נושאי מטען במצבים אלו תהיה חפיפה גדולה עם פונקצית הגל של רמה 2. במקרה זה, הסיכום על פני מצבים סופיים נוספים במשוואה (1) במקום במצב אחד בלבד יפצה על הגידול בזמני הפיזור למצבים סופיים יחידים, כתוצאה מהגידול באנרגיות המעבר מעל ELO, ויוביל למשך חיים במצבים התחתונים שיהיה שווה לאלה שבתכנון בשני פונונים. אנו מכנים את גישת התכנון הזו שליפה ללא תהודה (non–resonant extraction) או NRE. באופן דומה, אפשר להגדיל באופן משמעותי גם את מרווח האנרגיה E32 מבלי להגדיל את  , ובתנאי שקיימות שתי רמות סופיות, 2 ו–’2 למעבר מרמה 3. הסרת התנאי המגביל של תהודת שני פונונים הופך את גישת NRE לכלי מועיל ביותר בתכנון לייזר QCL.

ייצור ההתקן ואריזתו
לייזרים של מפל קוונטי, שמכילים בדרך כלל בין 500 ל–1000 שכבות בטווח של ננו–מטר, מהווים את אחד המבנים הדורשניים ביותר במונחים של גידול אפיטקסי. עבור לייזרים לאינפרה–אדום בגלים בינוניים הקושי אף גדול יותר, מאחר שיש ליצור מתיחות רבה בשכבות על מנת ליצור אי רציפות מספקת בפס ההולכה שתגביל את נושאי המטען ויש לאזן את המתיחות בכל דרגת הגבר על מנת למנוע יצירה של מצבי חורג (dislocation). עבדנו בצמוד עם מפעלי ייצור מסחריים על האופטימיזציה של פרמטרי הגידול, וכך הצלחנו להשיג את הרוחב המלא במקסימום של החצי (FWHM) של ספקטרום הפליטה הספונטנית באנרגיה של 26 מגה–אלקטרון–וולט בטמפרטורת החדר ובאורך גל של 4.6 מיקרו–מטר. אנרגיה זו מהווה הפחתה של 20% לעומת הערך של 33 מגה–אלקטרון–וולט, שהושג בצורת הגידול הקודמת באותו תכנון. רוחב הקו של המעבר בין פסי המשנה הוא מדד לאיכות הגידול האפיטקסיאלי שיש לו השפעה כפולה על ביצועי ההתקן. ראשית הוא משפיע ישירות על צפיפות זרם הסף, מפני שהוא יחסי הפוך להגבר החומר בשיא, ושנית, רוחב קו צר מפחית אף הוא את ההשפעה המזיקה של מעברים בין פסי משנה ללא תהודה במבנה ההטרוגני ש”זנבות” הבליעה שלהם משפיעים הן על צפיפות זרם הסף וגם על נצילות השיפוע של הלייזרים. היבט קריטי נוסף שלו היה צריך לתת מענה בתכנון QCL, הוא פיזור החום. צפיפות החום שנוצרה באזור הפעיל של לייזר QCL במהלך פעולה בגל רציף היא בדרך כלל בסדר גודל של 50 קילו–וואט לסמ”ר. בהתקנים שלנו, סילוק יעיל של החום מושג על ידי עיבוד הלייזרים בגיאומטריה של מבנה הטרוגני מכוסה (buried).
באיור 3 מוצגים המתח והספק המוצא כפונקציה של הזרם במצב פולסים ובמצב גל רציף, בטמפרטורת החדר של לייזר QCL שמותקן על בסיס יהלום. הניהול התרמי שלנו, שהותאם באופטימיזציה, הניב יחס של 1.5 בין הספק במצב פולסים להספק במצב גל רציף, עם הספק מרבי במצב גל רציף של 3 וואט ונצילות מרבית של המרת הספק של 13% בטמפרטורת של 293 מעלות קלווין.

אריזת לייזרים מסוג QCL ליישומים מעשיים
על אף שרוב התוצאות הגבוהות של ביצועי QCL שעליהן דווח בספרות מוצגות כפי שמצוין לעיל, בסיסי יהלום אינם מתאימים לאמינות ארוכת טווח. הסיבה לכך היא קיומו של הבדל רב בין מקדם ההתפשטות התרמי שלהם לבין זה של החומר של QCL, אשר לכן יש צורך להלחים אותם בחומר הלחמה רך שסובל מהגירת יונים בטמפרטורות גבוהות ו/או בצפיפויות זרם גבוהות. את הבעיה הזו פתרנו על ידי שימוש בבסיסי AIN עם תיאום מקדם התפשטות תרמי ועם חומר הלחמה קשיח AuSn, וכן על ידי ביצוע אופטימיזציה של גיאומטרית ההתקן ושל ציפויי הפנים לפעולה בגל רציף בטמפרטורת החדר. החומרים והתהליכים האלו עקביים עם אלו ששימשו עבור לייזרים באינפרה–אדום לתקשורת בעלי אמינות גבוהה ומשך חיים ארוך, אשר בהם משמש אותו חומר מצע (InP) שמשמש בייצור של לייזרים מסוג QCL.

על מנת לאפשר אינטגרציה לתוך יישומים שונים ולהבטיח אמינות ארוכת טווח, ההתקנים שלנו מותקנים בתוך מארזים מסוג פרפר בתכנון מותאם אישית, שמכיל מצנן תרמו–אלקטרי (TEC) ואופטיקה לצורך קולימציה, והם נתונים באווירת חנקן אטומה באופן הרמטי. נפח המארז הכולל הוא פחות מ–50 סמ”ק ומשקל המארז פחות מ–100 גרם. (איורים 4 ו–5). מארזים אלו משולבים בתוך מערכות QCL עצמאיות ייעודיות, כפי שמוצג באיור 6, אשר מורכבות מראש לייזר, שכולל QCL נתון במארז עם גוף קירור מקורר באוויר, והבקר המתואם שלו, שאותם אפשר להשיג היום באופן מסחרי בכמה גרסאות שונות. גישה זו אפשרה לנו להציג הספק גל רציף מרבי של 3 וואט בערך ב–293 מעלות קלווין עבור התקן המותקן על בסיס AIN (איור 7). בנוסף, חידושים הנדסיים אלו אפשרו לנו לספק לייזרים מסוג QCL מסחריים עם הספק מוצא בגל רציף גדול מ–2.5 וואט באורך גל של 4.6  מיקרו מטר, ויותר מ–2.0 וואט באורך גל של 4.0  מיקרו מטר (איור 8) בטמפרטורת החדר במארזים מקוררים באוויר. הלייזרים מסוג QCL להספק גבוה שארוזים במארז פרפר זמינים לאינטגרציה על ידי יצרני OEM ביישומי לקוחות.
באמצעות תהליכי מארזים תעשייתיים בעלי ביצועים גבוהים הדגמנו נצילות המרת הספק גבוהה מ–15% בטמפרטורת החדר עם לייזרים מסוג QCL שמפיקים הספק מוצא גבוה מ–2 וואט בפעולה בגל רציף (איור 9).
נצילות המרת ההספק הגבוהה מאפשרת גם פעולה של לייזרים QCL באינפרה–אדום בגלים בינוניים בטמפרטורת החדר וללא מצננים תרמו–אלקטריים. לאחרונה הדגמנו פעולה הספק גבוה ללא קירור של לייזרים מסוג QCL עם הספק ממוצע מרבי של 2 וואט (איור 10) במחזור פעולה גבוה בפעולת פולסים דמוית גל רציף ובפעולה בהספק של יותר מ–1 וואט בגל רציף.
הלייזרים מסוג QCL נתונים במארזי פרפר עם אופטיקת קולימציה, אך אינם מקוררים באופן תרמו–אלקטרי, ומשולבים במודולי מעבדה (איור 11) ובמודולים נישאים לפעולה בסוללה (איור 12) עם הספק מוצא ממוצע של עד 1.5 וואט. לבסוף מודולי QCL לא מקוררים קיימים אף הם במארזים לייצרני OEM לאינטגרציה בהתאמה אישית ביישומים ייעודיים ללקוח (איור 13).

חברת PRANALYTICA INC מיוצגת באופן בלעדי בארץ על ידי חברת לאס פוטוניקס בע’’מ