1457nm 500mW シングルモード ファイバ ラマン増幅器ポンプ

1457nm 500mW レーザー シングルモードファイバ ラマン増幅器ポンプ




高性能バタフライ半導体レーザを用いたシングルモードファイバ出力1457nm半導体レーザ光源、シングルモードピグテール出力。専門的に設計された駆動回路とTEC制御を使用してレーザーの安全性と安定性を確保します。 このレーザは科学実験や製造試験に使用でき、ファイバラマン増幅器用のポンプ光源として適しています。

EDFA 30mW~400mW 単一波長 ファイバーアンプ

EDFA エルビウムドープファイバ増幅器 モジュールタイプ ソフトウェアによる制御

エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は高性能、小型のファイバ増幅器製品である。
安定した高出力半導体レーザ、WDMの高安定性、アイソレータ、高利得エルビウム添加ファイバの内部使用。
この製品は、高信頼性、高出力、高利得、低ノイズという利点を持っています。
これは高出力EDFAシステムの理想的な選択。この製品は5 V DC電源を採用しています、小型でシステムへの統合が容易、顧客のニーズを満たすために。

CivilLaser 808nm 高出力 ファイバーレーザー

現在のレーザー出力と動作電流を表示するLCDスクリーン付きの808nm 4Wファイバーレーザー光源です。 出力電力は5つのボタンで調整されます。 808nmレーザーは近赤外レーザーです、そして、我々は非常に小さい赤い点を見ることができるだけです。

高出力レーザー光源は高性能半導体レーザーチップをベースにしています。それは、安全で安定したレーザ動作を保証するために専門的に設計された定電流駆動とTEC制御を使用し、105 / 125umのファイバー結合出力。電源変動は<1％であり、かつスペクトル安定性は3nmで±よりも優れています。医療研究、ファイバーレーザーポンピングおよび他の製造テストでの使用に適しています。顧客の要求に従って、私達はデスクトップ、またはモジュラーパッケージを提供し、そしてPCモニタリングソフトウェアを提供します。

808nm 高出力 ピグテールレーザー -- CivilLasers.com

808nm 高出力 ピグテールレーザーダイオード+ マルチモード光ファイバー + 駆動回路ファイバ：ファイバ径1 05μm / 開口数0.22 / ファイバコネクタ（FC/PC）

EDFA 45dBプリアンプモジュールタイプ

モジュールタイプのエルビウム添加ファイバ増幅器です。 それは小光信号増幅の-40〜-25 dBmの範囲で使用されるプリアンプです、ゲインは45 dBです。 電源はDC 5Vです。 それはPCソフトウェアによって制御されました。 CivilLaserは顧客のニーズに応じてEDFAをカスタマイズすることができます。

プレミアムレーザー製造

レーザー光源をお探しの場合は、まずCivilLasers.comにアクセスすることをお勧めします。

これは私達がこれまでに見つけた最も専門のレーザー製品販売プラットフォームです。 レーザー製品の広い範囲はまた、カスタマイズされたサービスを提供することができます。 専門職業的業務、速い応答時間。 価格は安く、レーザー製品と同じ機能で、価格はヨーロッパとアメリカの供給業者の約40％〜60％です。
短納期、従来のレーザーのカスタマイズは2ヶ月かかります、CivilLaserは2週間しか必要としません。

1533nm 5W シングルモード ファイバレーザ

Cバンド1533nm 5W シングルモード ファイバレーザ光源
調整可能な出力パワー

注意：
1530nm〜1565nm＆1W〜5Wをカスタマイズできます。

Cバンド高出力光ファイバ光源は、1W〜5Wの高出力レーザ、シングルモードファイバ出力、専門的に設計された駆動回路とTEC制御を確実にするための半導体励起ファイバレーザ構造を採用しています。 。 

波長可変広帯域単一周波数狭線幅ファイバレーザ

概要

全ファイバ複合共振器構造を有する同調可能単一周波数（SF）狭線幅ファイバレーザを設計した。それは光ファイバ同調可能フィルタ、高精度リングフィルタ、およびファイバループミラーから構成されている。 励起光源として980 nmの半導体レーザを使用し、利得媒質および可飽和吸収体としてイッテルビウム添加ファイバを使用すると、1030 nm〜1090 nmの広帯域波長可変単一周波数狭線幅レーザ出力が得られます。 実現しました。 ポンプパワーが最大300 mWのとき、出力パワーは18.5 mWで、スロープ効率は波長1070 nmで7.95％です。 1時間以内にモードホッピング現象はなく、電力安定性の標準偏差は1％以下であった。 ポンプパワーが２００ｍＷのとき、線幅は遅延自己ヘテロダイン法により測定され、波長調整範囲内の平均線幅は８．７ｋＨｚ、緩和振動周波数は６４ｋＨｚである。

前書き

単一周波数ファイバレーザは、狭い線幅、低い雑音および長いコヒーレンス長などの優れた光学特性を有する。それらは、重力波検出、マイクロ波光子およびファイバセンシング、波長可変単一周波数ファイバレーザの分野において広い応用展望を有し、計測学、生物医学、分光法などの分野において広スペクトル単一周波数の特性を有する。 、多くの研究者の研究関心を集めています。現在、超短線形共振器、線形共振器および環状共振器は単一周波数狭線幅レーザー出力を実現することができる。 （８）超短線形共振器は、その超短共振器長および光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）の波長制限のために、波長の広範囲の同調を達成することが困難である。線形キャビティは、利得ファイバ内の空間的ホールバーニング現象によって引き起こされる。マルチ縦モード状態。環状キャビティは進行波キャビティに属し、それは線形キャビティによって引き起こされるホールバーニング効果を回避し、波長可変単一周波数ファイバレーザの出力を実現するために適切なモード選択コンポーネントおよび波長同調装置を挿入することができる。 2）。単一周波数レーザ波長可変、非励起ドープファイバ可飽和吸収体およびカスケードフィルタデバイスなどを達成するために、応力または温度によってＦＢＧの中心波長を変えることなど、波長可変生成のための多くの技術がある。この方法によって実現されたレーザは、狭い同調範囲、大きなデバイス損失、高コストなどの欠点を有する。 Sagnac ringは3.5mのポンプで汲み上げていない餌繊維を自己として使用していると報告した。 45nm波長可変単一周波数ファイバレーザ出力用の波長可変Fabry-Perot（FP）フィルタと組み合わせた誘導FBGフィルタ。 2013年に、Feng等。レーザキャビティ内の縦モードの数を制限するために光ファイバリング（１リング）フィルタを使用し、キャビティ内に縦モード発振が１つだけあることを保証するために別のダブルカプラファイバリング（２リング）が使用される。ファイバレーザの単一周波数出力は、段階的なフィルタリングによって実現されます。波長選択のための波長可変FBG、30 nm波長可変単一周波数レーザー出力2015年に、Lu等。サニャックリング接合を形成するための可飽和吸収体として１．５ｍの非励起ファイバを使用した。ダイナミックグレーティング、ＦＢＧの温度を変化させることによる中心波長は、周波数チューナブル単一ファイバレーザを達成するために使用される。 2016年、風水と他の口。デュアルカプラファイバループフィルタを別のファイバループフィルタに埋め込むと同時に、FBGの中心波長を変えるために引き伸ばすことによって、10 nmの波長可変単一周波数レーザ出力が達成されます。 2017年に、Yeh等。レーザの単一縦モード出力と波長可変バンドパスフィルタを介した波長３０ｎｍの単一波長レーザ出力を得るために、干渉計フィルタとして１０ｃｍのファイバドープファイバ（ＹＤＦ）と光ファイバスコープを使用した。

環状キャビティに基づいて、同調可能帯域通過フィルタ、高精度リングフィルタおよびファイバループミラー（LMF）を有する同調可能単一周波数狭線幅ファイバレーザを設計した。 励起源としては980nmの半導体レーザーが用いられている。 ミラーファイバは、それぞれ、キャビティ内の利得媒体および励起されていない可飽和吸収体として使用される。 キャビティタイプの精密な調整と最適化を通して、1030〜1090 nmの安定した幅がうまく実現されています。 スペクトルは単一周波数狭線幅レーザー出力に調整することができます。 連続動作の1時間以内にモードホッピングはなく、電力の不安定性は1％未満です。 ポンピングパワーが２００ｍＷのとき、線幅測定は遅延自己ヘテロダイン法で行われ、平均線幅は波長同調範囲で８．７ｋＨｚ、緩和振動周波数は６４ｋＨｚである。

2実験装置と原理

単一周波数ファイバーレーザーを調整するための実験装置を図1に示します。ポンピングパワーとして600 mWのポンピングパワーを持つ980 nmの半導体レーザーが使用され、ポンピング光は980/1060を通してピグテールから出力されます。 nmの波長分割マルチプレクサ（WDM）。長さ８０ｃｍの長さ８０ｃｍのファイバをポンピングするためにキャビティに結合する［Ｙｂ５０１、コーラティブ、カナダ、鏡の濃度（原子分率、以下同じ）は０．０２１、開口数は０．１３］。励起光はそれぞれ３ｄＢを通過する。 1 nm帯域幅のチューナブルバンドパスフィルタ、高精度フィルタ（80％結合：2％2X2カプラC2および1.5 m非励起利得ファイバからなるHFRF）およびファイバループミラー結合比は50％：50％の1X2カプラC3、3端サーキュレータ（CIR）と長さ2 mの励起されていない利得ファイバ]、共振器内の複数の縦モードのための同調可能帯域通過フィルタモード抑制と波長同調が実行され、その後共振器内のモード数が高精度で抑制されるフィルタ。最後に、キャビティ内の単一縦モードはファイバループミラーによって選択される。サーキュレータの３ポートは、波長可変マルチプレクサの一端と接続されて、同調可能単一周波数ファイバレーザ複合環状キャビティ構造を形成する。伝送中に光が一方向に伝送されることを保証するために、サーキュレータは3対2です。端部は45 dBのアイソレーションを持っています。結果として生じるチューナブル単一周波数レーザは、チューナブルフィルタ（ＴＦ）と高精度フィルタとの間の３０％：７０％の結合比で、カプラＣ１の３０％ポートによって出力される。利得ファイバは広帯域吸収を有し、ファイバループミラーは波長可変フィルタの波長出力を動的に追跡するように格子フィルタを動的に誘導することができるので、それらから構成されるフィルタを波長可変ファイバレーザに使用することができ、より広い帯域幅を得ることができる。チューニング範囲

レーザキャビティチューナブルフィルタ、高精度フィルタおよびファイバループミラーは、キャビティ内の縦振動モードの数を減らすことができる。 これら３つの装置のフィルタリングを通して、安定した波長同調単一周波数出力が得られる。 チューナブルフィルタは、広範囲の波長チューニングを達成するために使用されるだけでなく、その1 nm 3 dB帯域幅は、ミラーファイバの誘導放射によって生成されるモードの多くを効果的に抑制し、キャビティ内で発振する縦モードの数を減らします。 。 高精度フィルタは、光ファイバリングと非励起ファイバYDF 2で構成されています。 チューナブルフィルタを通過した光は、カップリング比50％：50％でカプラに入ります。ここで、1つの光はファイバリングに結合され、その透過率は次のようになります。

カプラの分割比式。 ｇは光ファイバループの利得である。 ３は光照射野の角周波数である。 r = 2k / a fsr遅延時間、a fsr = c / "は自由スペクトル範囲、c = 3×10 8 m / sは光速、L | = 2.3mで、これは高精度フィルタの長さです。ファイバループミラーは、サニャックリングと励起されていないファイバYDF 3で構成されており、サーキュレータを通過して50％：50％のカップリング比で入射します。 YDF3では同じ振幅と偏光が反対に干渉されるため、ファイバループミラーはダイナミックグレーティングを形成します。

ここで、／は動的格子の結合係数である。入力光波長＝ １０６０ｎｍ。

繊維屈折率％＝ １．４５。動的格子長Ｌ ＝ ２ｍ。 ＹＤＦ ３屈折率変化ΔΔＶ ２×１０Ｔ。したがって、Δ／Δ＜１４ＭＨｚ、この値は、１８ＭＨｚの縦モード間隔によって決定される１１．８ｍキャビティ長未満であり、レーザが単一縦モード動作にあることを示す。

3実験結果の分析と考察

図2は、走査F-Pエタロンによって測定された単一周波数信号の特性を示します。 単一周波数レーザーの特性は、走査型F-Pエタロン（SA210、Thorlabs、米国）およびオシロスコープ（DSO9104A、Agilent Technologies、米国）を使用して実験的に観察された。 スキャニングＦ − Ｐ規格は１．５ＧＨｚの自由スペクトル範囲および２００の精度を有し、これは規格が７．５ＭＨｚの分解能を有することを示す。 黒いのこぎり波は電圧サイクルを表し、赤い曲線はランプ電圧サイクルにわたる単一垂直モードの数を表します。 図２から分かるように、のこぎり波ランプ電圧サイクルには２つの単一縦モードがあり、それらは滑らかな包絡線を形成している。 1つのモードが拡張されても、他のモードは表示されず、モードジャンプやモード競合はありません。 この現象は、レーザが単一周波数レーザ動作を完全に実現していることを証明している。

光ファイバチューナブルフィルタの動作波長はコンピュータプログラムによって制御され、異なる波長の連続単一周波数レーザが出力される。 一定のポンピングパワーは３００ｍＷであり、間隔はＹｏｋｏｇａｗａ分光計（ＡＱ６３７０Ｃ、Ｙｏｋｏｇａｗａ、日本、解像度：０．０２ｎｍ）によって測定される。 ５ｎｍの同調可能単一周波数ファイバレーザの出力スペクトルが図３に示されている。この実験は、１０３０〜１０９０ｎｍの出力波長の連続同調可能性を首尾よく達成し、その信号対雑音比がより大きいことが分かる。 ５０ｄＢよりも大きく、制御波長が調整されたときにモードホッピングおよびモード競合は観察されない。 安定な1030〜1090 nmの連続同調可能単一周波数レーザー出力。

実験では、異なる動作波長で異なる励起パワーの連続単一周波数レーザー出力パワーをテストしました（図4）。図４から分かるように、レーザの動作波長が異なると、対応するスロープ効率と出力パワーも異なる。ポンプパワーが300mWのときの1070nmでの可変同調単一周波数レーザの出力特性を研究した。このとき、単一周波数レーザ出力は１８．５ｍＷの最大値に達し、スロープ効率は７．９５％に達する。 １０３０ｎｍにおけるこのレーザ媒体の放射スペクトルの利得は他の動作波長よりも強く、単一周波数出力レーザはこの帯域において最大利得係数およびレーザ出力スロープ効率を有するべきである。しかし実験結果は、スロープ効率が大きいとき、連続短波長レーザの動作波長も大きいことを示した。これは主に短波長のレーザ放出の自然放出がドープファイバによって再び吸収されたためである。 1030 nmの単一周波数出力で。レーザの出力パワーおよびスロープ効率は最大に達しなかった。

実験では、カナダのＧｅｎｔｅｃ社製のＭＡＥＳＴＲＯパワーメータを用いて、１０７０ｎｍでの単一周波数ファイバレーザ出力パワーの安定性を調べた。 サンプリング時間間隔を1秒、時間長を2時間に設定して、電力サンプリングを行った。 図5に単一周波数ファイバを示します。 2時間連続して動作するレーザーの出力パワー安定性曲線、パワー不安定性は1％未満であり、単一周波数ファイバーレーザーが安定した動作にあることを示しています。

単一周波数ファイバレーザの波長安定性および信号対雑音比安定性図６に示すように、１時間以内の波長安定性を室温環境において５分間隔で測定した。 図６（ｃ）から分かるように、光波長可変フィルタの波長を１０６０ｎｍに設定した場合、スペクトル中心波長はそれほど変化しない。 計算から、波長分解能の不安定性は０．０２ｎｍ未満であることが分かる。 光信号対雑音比の変動は０．２２ｄＢ未満である。 波長オフセットおよび光信号対雑音比の変動は、ポンピングパワーおよび周囲温度の変化によって引き起こされる。 同時に、1040 nmの波長の波長安定性[Fig。 図６（ａ）］、１０５０ｎｍ ［図６］。 ６（ｃ）］、１０７０ｎｍ ［図６（ｃ）］。 ６（ｄ）］を測定し、それらの動作波長および光学系を得ることができる。 信号対雑音比の安定性は高い。

同調可能単一周波数ファイバレーザ出力線幅は、３０ｋｍ単一モード遅延ファイバおよび遅延自己ヘテロダイン法を用いて測定される。 図７（ａ）は、２００ｍＷのポンピングパワーで１０６０ｎｍで動作する連続単一周波数ファイバレーザ出力を示す。 線幅 真の単一周波数レーザ出力の線幅はヘテロダイン信号曲線の線幅の半分であるので、単一周波数レーザの線幅は約９ｋＨｚと計算することができる。 単一周波数レーザ出力の他の波長の線幅結果を得るために、13波長の線幅の測定が行われます[図。 これは、同調可能単一周波数レーザが非常に広い範囲にわたって非常に狭いスペクトル線幅を達成することができることを示している。

単一周波数ファイバレーザの相対雑音強度は、３ｄＢの帯域幅および１ＧＨｚの最大カットオフ周波数を有する光検出器（１６１１、Ｎｅｗｐｏｒｔ、米国）および無線周波数スペクトラムアナライザ（ＭＳ２７２４Ｃ、ＡＮＲＩＴＳＵ、日本）を使用して測定された。 。 励起光源に入力電力がない場合、スペクトラムアナライザの相対雑音強度（RIN）曲線（受信雑音）は、図8の黒い曲線で示されます。励起光源の励起電力が200 mWの場合、ピーク値 緩和振動周波数のΔθは約64kHzである（図8の赤い曲線）。 緩和振動は、ポンピング場とレーザー信号場との間の動的エネルギー交換過程によるものである。 。 ０〜１ＭＨｚの周波数における相対雑音を受信雑音と比較することによって、周波数が２００ｋＨｚよりも大きいとき、単一周波数ファイバレーザの相対強度雑音スペクトルにおいて他の雑音成分は観察されないことが分かる。 。

4まとめ

全ファイバ複合リングキャビティ構造を有する同調可能単一周波数狭線幅ファイバレーザは、フィルタ要素として同調可能バンドパスフィルタ、高精度リングフィルタおよびファイバループミラーからなる光学部品を用いて設計した。励起源としては980nmの半導体レーザーが用いられている。ドードファイバは、それぞれキャビティ内の利得媒質および励起されていない可飽和吸収体として使用される。 3ポートサーキュレータの光絶縁と組み合わせると、レーザはキャビティ内で一方向に伝送されて通過します。コンピュータプログラムは、光ファイバチューナブルフィルタの動作波長を制御し、その後、異なる波長の連続単一周波数レーザを出力し、１０３０〜１０９０ｎｍの安定した広スペクトルチューナブル単一周波数狭線幅レーザ出力を成功裏に達成する。ポンピングパワーは300です。mWでは、波長1070nmでの出力パワーは最大の18.5mWで、スロープ効率は7.95％です。連続動作の1時間以内にモードホッピングはなく、電力の不安定性は1％未満です。励起光の励起パワーが２００ｍＷのとき、線幅は遅延自己ヘテロダイン法により測定され、平均線幅は波長可変範囲で８．７ｋＨｚ、緩和振動周波数は６４ｋＨｚである。

量子井戸レーザは重要な進歩を遂げた

最近になって、Niu Zhichuan、中国科学アカデミー、国立半導体研究所、超格子の国家主要研究所の研究者チームは、テルル化物半導体用の単一モードおよび高出力量子井戸レーザの研究において著しい進歩を遂げた。

近年、Niu Zhichuanの研究チームが率いる研究チームは、National 973 Major Scientific Researchプログラム、National Natural Science Foundationの主要プロジェクトおよび主要プロジェクトの支援の下で、ビスマス半導体の材料基礎物理学および異種低次元材料エピタキシーを研究してきました。成長技術と光電子デバイス製造技術は、ゲルマニウム量子井戸レーザのエッチングと不動態化を突破し、テルル化ビスマス量子井戸、超格子低次元材料、分子線エピタキシャル成長法の化学分析を体系的に習得しました。コアプロセス技術に基づいて、金属格子横結合分布帰還（LC ‐ DFB）構造の革新的設計は2μm帯の高性能単一モードレーザを首尾よく実現し、53dBのサイドモード抑圧比は現在の類似デバイスの最高値であり、出力電力に達した。 40mWは現在の同様のデバイスの3倍以上です。 Appl。に関連する結果Phys。レット。 １１４，０２１１０２（２０１９）は、国際的に有名な「化合物半導体、化合物半導体２０１９、Ｎｏ．２」によって即座に報告された。「シングルモードレーザは、宇宙ベースの衛星搭載レーザレーダであるサイドモード抑制比の向上を開拓した。 LiDAR（登録商標）システムおよびガス検出システムは、競争力のある光源装置を提供する。」

テルル化量子井戸の高出力レーザーにおいて、研究チームはデジタル合金法によって導波路層を成長させる重要な技術を革新し、2μm帯のInGaSb / AlGaAsSb歪量子井戸高出力レーザーを開発することに成功した。タイルとバー（ラインアレイ）レーザー部品の室温連続出力は16ワットで、総合性能は国際的な一流レベルに達し、外国の高出力半導体レーザー輸出制限の性能条件を破りました。

GaSbベースのInGaAsSb格子整合ヘテロ接合量子井戸は、1.8〜4.0μmの短波長赤外領域をカバーする調整可能なバンドギャップを持ち、このバンドの他のレーザー材料システムと比較して、直接駆動されています。レーザーの効率には独自の利点があります。

ゲルマニドの多元素複合低次元材料のための分子線エピタキシー技術の絶え間ない進歩により、ゲルマニウム半導体に関連する材料およびオプトエレクトロニクスデバイスの革新が急速に発展してきた。ゲルマニド半導体レーザの上記の研究結果は短波赤外レーザ技術分野における長期カードネックコア技術を突破しており、そして有害ガス検出、環境モニタリング、医療およびレーザ加工のような多くのハイテク産業において重要な価値を演じるであろう。

新しいレーザー利得材料- 急速加熱および冷却

カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）の研究者が、超短パルス（理論的には7.7 fsという低出力）の高出力パルスを利用可能な新しいレーザー材料、Ndドープアルミナ結晶を開発したことが報告されています。優れた耐熱衝撃性を備えた、より小型で強力なレーザーの製造に。

これを達成するために、エンジニアは高濃度のセリウムイオンをアルミナ結晶に溶解するための新しい材料処理戦略を考案しました。最後に、レーザー材料研究の分野で最初のイットリウムアルミナレーザー利得媒質が製造されました。

 

Ｎｄ（ドーパント）およびアルミナ（ホスト材料）は、今日の最先端の固体レーザ材料のうち最も広く使用されている２つの成分である。しかしながら、Ｎｄとアルミナを組み合わせてレーザー媒体を調製することは大きな課題を提示する：それらのサイズは相容れない。アルミナ結晶は通常チタンやクロムのような小さなイオンを含んでいますが、Ndイオンはかさばっています。

セリウムアルミナ混合物を調製するための鍵は、２つの固体を急速に加熱および冷却することである。伝統的に、研究者たちはドープアルミナを他の材料と一緒に溶融させ、それから混合物をゆっくり冷却して結晶化させることによってドープアルミナを作ってきました。ポスドク研究員のエリアス・ペニラ氏は、「ストロンチウムイオンを結晶化中にアルミナから除去する傾向があるため、ストロンチウムイオンをドーパントとして使用するには遅すぎる」と語った。したがって、彼の解決策は加熱および冷却工程をスピードアップすることである。痰イオンの漏出を防ぐため。

新しい方法は、アルミナとセリウム粉末の加圧混合物を１２６０℃に達するまで３００℃／分の速度で急速に加熱することを含む。この温度は、高濃度のセリウムをアルミナ結晶格子に溶解させるのに十分な温度である。固溶体をこの温度で５分間保持し、次いで３００℃／分の速度で急冷した。研究者たちは、X線回折と電子顕微鏡を使って、イットリウムアルミナ結晶の原子構造を評価しました。そのレーザー能力を実証するために、研究者達はまた、806 nmの赤外光で結晶を光学的に励起しました。この材料は、１０６４ｎｍの波長を有する増幅光を放出する。

試験を通して、研究者らはまた、ビスマスアルミナの耐熱衝撃性が主要な固体レーザー利得材料Nd：YAGのそれよりも24倍高いことを示した。機械工学教授のJavier Garay氏は、次のように指摘しています。「これは、材料が破損する前にこの材料をより多くのエネルギーでポンピングできることを意味します。

チームは現在、この新しい材料を使った新しいレーザーの開発に取り組んでいます。

高出力半導体レーザパッケージの熱応力研究

 要約：近年、高出力半導体レーザの用途が拡大しており、それらは産業および医療においてますます広く使用されている。レーザーの熱特性は、信頼性と耐用年数を著しく制限します。デバイスの信頼性を改善し寿命を延ばすために、異なるはんだ、異なる厚さのはんだ、および異なる厚さのWCuヒートシンクパッケージを備えた高出力半導体レーザーバーをCOMSOL Multiphysicsによってシミュレーションし、レーザーの「Smile」値異なる包装条件下でバーを測定した。結果は、はんだまたはAuSnはんだの最大熱応力がWCu二次ヒートシンクとCuヒートシンクの間の界面で発生することを示した。同じ厚さのInハンダとAuSnハンダでパッケージされたレーザチップの熱応力はそれぞれ3.57 GPaと3.83 GPaであり、ピークスペクトルはそれぞれ800.5と798 nmである。はんだの厚さを減らすことは、レーザチップ内の熱応力および温度を減らすために有益であるが、はんだはそうではない。厚みが薄すぎると、レーザコアの溶着が弱くなったり、はんだの分布が不均一になったり、はんだ層にボイドが発生する可能性があるため、全体としてはんだ厚の選択を検討してください。 WCu二次ヒートシンクの厚さの増加と共に、レーザチップの熱応力は減少するが、コアの温度は上昇し、タングステン - 銅二次ヒートシンクの最適厚さは380μmである。本論文は、高出力半導体レーザのパッケージングを最適化するための基礎を提供し、実用生産のための指導的意義を持っている。

1. 前書き

小型、軽量、高効率、そして変調が容易な高出力半導体レーザーは、材料加工、医療および化粧品、軍事、防衛などに広く使用されています[1]  -  [6]。現在、常温で連続動作する高出力半導体レーザの最大電気光学変換効率は約70％であるため[7]、動作中に大量の廃熱が発生します。過剰な熱が時間内に放出されないと、レーザダイの温度が上昇し、その結果材料の禁制帯幅が変化し、それが出力ビームの安定性に重大な影響を及ぼす。さらに、レーザダイとヒートシンク材料との間の熱膨張係数が一致しないので、温度変化は熱応力を生じさせ、出力スペクトルが変化する。熱応力が大きすぎると、接合層が割れてしまう。金型の破損などの問題がデバイスの信頼性と寿命に深刻な影響を与えているため[8]、半導体レーザパッケージの熱応力の解析は非常に重要です。

現在、実験による熱応力の解析方法[9]には、主にひずみゲージ法、モール法、熱弾性法、X線回折法、中性子回折法などがある。実験的方法による熱応力の解析は、複雑で高価で、正確性が低いだけでなく、実行不可能です。対照的に、ソフトウェアシミュレーション方法はますます成熟しています。モデル境界やポートなどの条件を合理的に設定できれば、実験と矛盾のない結果が得られます。 2008年に、Wang Hui等。中国電子技術グループ社の第13研究所の[8]は、異なるはんだパッケージを有する半導体レーザの熱応力分布を解析するために有限要素ソフトウェアANSYSを使用した。 2016年に、Quan Wei et al。北京航空宇宙大学の[10]は、ANSYSソフトウェアを使用して、集積半導体レーザー構造を設計およびシミュレーションした。 2018年に、Chen Tianqi等。中国科学アカデミーの西安光機械研究所の[11]もまた、有限要素ソフトウェアANSYSを使用して、高出力半導体レーザアレイの熱応力と「Smile」に及ぼすさまざまなパッケージ構造と材料の影響を分析しました。

本論文では、マルチフィジックスシミュレーションソフトウェアCOMSOL Multiphysicsを用いて、異なるはんだ、異なる厚さのはんだおよび異なる厚さのタングステン - 銅サブヒートシンクパッケージの高出力半導体レーザストリップをシミュレーションした。異なる包装条件下でのレーザーストリップのスペクトル分布が測定される。シミュレーションと実験結果を分析します。それは高出力半導体レーザストリップの設計を最適化するための参照を提供し、実際の生産のための指導的意義を持つ。 2 COMSOL Multiphysicsに基づく熱応力シミュレーションプロセスこの論文のシミュレーション構造を図1に示します。下から上に、Cuヒートシンク、WCuサブヒートシンク、はんだ、レーザーチップ、はんだ、WCuサブヒートシンクです。 。レーザチップは、はんだによってヒートシンクにはんだ付けされており、パッケージ構造内の層の熱膨張係数は一致しておらず、温度変化は熱応力および変形を引き起こす。処理を容易にするために、いくつかの近似がシミュレーションにおいて使用される。（１）複雑なレーザダイ構造は、ＧａＡｓ材料の層と等価である。 （２）材料の各層の熱膨張係数のような関連する熱的パラメータは温度と共に変化しない。温度変化による熱応力のみを考慮してください。温度がはんだの融点より高い場合、レーザーダイには応力がありません。 （４）相変化などの要因の影響を無視する。

図1 半導体レーザバーパッケージ構造

COMSOL Multiphysicsに基づくシミュレーションステップは次のとおりです。ソフトウェアに付属のモデルウィザードを使用して、空間次元は3次元構造として選択され、物理場は構造力学モジュールの下の熱応力（固体力学および固体熱伝達を含む）です。図1に示す構造に従って、対応する幾何学的モデルをCOMSOL Multiphysicsで構築し、それらを組み合わせてコンソーシアムにした後、材料を幾何学的モデルに追加します関連する材料パラメータを表1に示します。次に、最も重要なのは熱源と境界条件の設定です。これはモデル計算結果の収束と実際の状況との整合性を直接決定します。熱応力解析モジュールは固体力学と固体熱伝達の両方を含むため、境界条件は別々に設定されます。固体力学では、ダイの方向に垂直な境界条件は自由膨張に設定され、層の界面は一様な連続対に設定され、点はＣｕヒートシンクの底面の任意の頂点に選択され、この点に固定制約が課される。固体熱伝達では、レーザーダイは50Wの熱量を持つ熱源として扱われ、材料の各層の界面は熱接触境界条件に設定され、Cuヒートシンクグランドは室温（20℃）に設定されます。対流熱流束境界条件、外気との熱対流熱伝達、周囲温度20℃に設定します。次に、モデルをメッシュ化し、モデルを三角メッシュまたは四面体メッシュに分割し、メッシュが細かくなればなるほど、計算結果が正確になり、対応するコンピューターのメモリ要件も高くなり、計算時間が長くなります。このモデルでは、レーザーダイ温度と熱応力分布を主に解析し、計算結果をより正確にするために、ダイとはんだメッシュを非常に精密にし、計算速度を向上させ、コンピュータメモリを節約します。 ＷＣｕヒートシンクとＣｕヒートシンクとの噛み合いは粗面化されている。最後に、モデルが計算され、計算結果が視覚化されます。

 3 結果の分析と考察

3.1 異なるはんだ

現在、高出力半導体レーザバーのパッケージにおいて、広く使用されているはんだは主にＩｎはんだおよびＡｕＳｎはんだを含む。 はんだは軟質はんだであり[12]、良好な塑性変形特性と低い応力を持ちますが、高温環境では、溶接ウィスカーの成長を引き起こし、溶接層の熱疲労を加速し、深刻なエレクトロマイグレーションを引き起こし、レーザーを引き起こします。 ダイオードは早く故障しました。 AuSnはんだは硬いはんだであり[13]、優れた耐疲労性および耐クリープ性、高い降伏強度、優れた熱伝導率、フラックスなし、そして深刻なエレクトロマイグレーションはありません。 しかしながら、金 - 錫ハンダは硬いハンダであるため、延性が悪く、焼結プロセスは過度の応力を導入するので、溶接プロセスはより要求が厳しい。 本論文は最初にInはんだとAuSnはんだパッケージの高出力半導体レーザストリップをシミュレートし、動作中の温度と熱応力分布を解析した。 シミュレーションでは、Cuヒートシンクのサイズは20000×20000×4000μm、WCuヒートシンクのサイズは11000×2000×400μm、InとAuSnのはんだのサイズは11000×2000×10μm、レーザチップのサイズは11000×2000×です。 １２０μｍ。

図2 さまざまなはんだパッケージを含むレーザーチップの熱応力分布と端面の中心軸上の応力分布のグラフ

（a）はんだの場合、熱応力ネフグラム（b）はんだの場合、端面の軸上の応力分布

（c）AuSnはんだ、熱応力のネフグラム（d）AuSnはんだ、端面の中心軸上の応力分布

図3 異なるはんだパッケージを用いたレーザーの温度分布

（a）はんだ中（b）AuSnはんだ

シミュレーション結果を図2および図3に示す。図2（a）および図2（c）からわかるように、InはんだおよびAuSnはんだパッケージの両方の高出力半導体レーザの最大熱応力はCu熱で発生する。シンクとWCuの間のインタフェースは、それぞれ215GPaと240GPaの値を持ちます。図2（b）と図2（d）は、構造体の端面の中心軸上の応力分布を示しており、InはんだとAuSnはんだパッケージのレーザーダイの熱応力は、それぞれ3.57GPaと3.83GPaです。図3にパッケージ構造の温度分布を示しますが、この図からわかるように、レーザーダイ部分に最高温度が発生し、InはんだおよびAuSnはんだパッケージのレーザーチップの最高温度は、それぞれ61.8°Cおよび62°Cです。表１から、レーザーダイの熱膨張係数は５．８×１０ －６ ｋ －１であり、ＩｎはんだおよびＡｕＳｎはんだの熱膨張係数はそれぞれ３．３×１０ －５ ｋ －１および１．６×１０ －５ ｋ －１であることがわかる。 AuSnはんだと比較して、Inはんだの熱膨張係数はレーザーダイの熱膨張係数と一致し、Inはんだは柔らかいはんだであり、レーザーチップによって発生した応力の一部を解放することができ、AuSnはんだは硬いはんだであり、応力を解放できない。そのため、AuSnはんだパッケージのレーザーダイはより大きな熱応力を受けます[14]。同時に、Ｉｎハンダの温度はＡｕＳｎハンダの温度よりも高く、構造全体の熱放散はより良いので、Ｉｎハンダパッケージのレーザダイの温度はより低い。シミュレーション結果の正当性を検証するために、図1に示す構造に従って、808nmの高出力半導体レーザバーをそれぞれInはんだとAuSnはんだでカプセル化し、図4に示すようにそれらのスペクトル分布を測定しました。図4（a）はInはんだパッケージのレーザースペクトル分布図、図4（b）はAuSnはんだパッケージのレーザースペクトル分布図です。ピークはそれぞれ800.5 nmと798 nmです。 Inはんだと比較して、Nmは、AuSnはんだパッケージレーザーダイがより大きな熱応力およびより大きな波長ブルーシフトを受けやすい。

図4 異なるはんだパッケージにおけるレーザースペクトル分布：（a）はんだ中（b）AuSnはんだ

3.2 異厚はんだ

表1から、InはんだでもAuSnはんだでも、熱膨張係数、熱伝導率、ヤング率などのパラメータは、レーザーダイやWCuヒートシンクとは大きく異なり、はんだチューブの厚さも同じになります。コア温度と熱応力分布は重要な影響を与えるため、厚さの異なるはんだパッケージを使用した高出力半導体レーザーバーの熱応力シミュレーションを実行します。現在、高出力半導体レーザバーパッケージに使用されるＡｕＳｎ半田の厚さは、実際の製造では約１０μｍであるので、シミュレーションに使用されるＡｕＳｎ半田の厚さは、それぞれ５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍである。ダイ温度と熱応力分布の影響シミュレーションにおけるCuヒートシンク、WCuヒートシンク、およびレーザチップの寸法はすべて、セクション3.1のものと一致しています。図5は、はんだ厚さの関数としてのレーザーダイの最大熱応力と温度を示しています。図から分かるように、ＡｕＳｎはんだの厚さが増加するにつれて、レーザダイの熱応力および温度は増加する傾向がある。ここでは、熱膨張係数のマッチングと熱伝導率を考慮して、AuSnはんだの熱膨張係数はレーザーダイの熱膨張係数とは異なるため、レーザーダイ内部の熱応力によって大きな熱応力が発生します。 AuSnはんだの熱伝導率は低く、はんだの厚さが厚くなると、レーザーダイから発生する熱が放出​​されにくくなり、その結果、ダイの温度が上昇し、熱応力が上昇して、最終的にダイが破裂する可能性があります。シミュレーション結果から、はんだの厚さが薄くなればなるほど、レーザーダイ内部の熱応力と温度が低下することがわかりますが、これは実際のアプリケーションでは当てはまりません。はんだの厚さが薄すぎると、レーザーダイのはんだ付けが不十分になったり、はんだの偏在が発生する可能性があります。レーザーがしっかりとはんだ付けされていないと、ダイとWCu 2次ヒートシンクの間にひびが入る可能性があり、はんだ層の内側にキャビティがあると、局所的なホットスポット効果が発生し、デバイスの安定性と寿命に重大な影響を及ぼします。したがって、はんだ層の厚さの決定は、要因の組み合わせによって決定され、さらなる最適化が必要です。

図5 厚さの異なるAuSnはんだをパッケージしたレーザチップの熱応力と温度最大分布

3.3 異なる厚さ

レーザダイの熱膨張係数とＣｕヒートシンクとの間の不整合を補償するために、ＷＣｕサブヒートシンクは、高出力半導体レーザバーのパッケージ内の遷移ヒートシンクとしてＷＣｕサブヒートシンクを使用することが多く、これはレーザダイの熱応力を効果的に軽減することができる。 大きな問題は、金型を保護することです。 しかし、Ｃｕヒートシンクと比較して、ＷＣｕヒートシンクの熱伝導率は悪く、厚すぎるとレーザチップの放熱性に悪影響を及ぼし、薄すぎると熱応力が緩和されない。 このセクションでは、厚さの異なるWCuヒートシンクがレーザーダイの温度と熱応力分布に与える影響を分析します。 現在、高出力半導体レーザバーパッケージに使用されるＷＣｕサブヒートシンクの厚さは、実際の製造では約４００μｍであるので、シミュレーションに使用されるＷＣｕサブヒートシンクの厚さは、それぞれ３００μｍ、３５０μｍ、４００μｍ、４５０μｍ、５００μｍである。 シミュレーションにおけるCuヒートシンク、AuSnはんだ、およびレーザーチップの寸法はすべて3.1節と同じであり、レーザーダイの熱応力と温度は図6に示すようにWCu二次ヒートシンクの厚さによって変化します。

図6 異なる厚さのWCu二次ヒートシンクを実装したレーザチップにおける最大熱応力と温度の分布

図からわかるように、WCuサブヒートシンクの厚さが300μmから500μmに増加すると、レーザーダイの熱応力は4.19GPaから3.61GPaに減少し、最大ダイ温度は59.9°Cから64.2°Cに上昇します。 Ｃｕヒートシンクと比較して、ＷＣｕサブヒートシンクの熱膨張係数はレーザダイの熱膨張係数により近いので、ＷＣｕサブヒートシンクの厚さが増加するにつれて、チップの熱応力はＣｕヒートシンクによって減少する。 しかしながら、ＷＣｕサブヒートシンクの熱伝導率はＣｕヒートシンクの熱伝導率よりも劣っているので、ＷＣｕサブヒートシンクの厚さの増加は、装置の全体的な熱抵抗の増加、劣った熱放散、およびレーザダイの温度の増加をもたらす。 図６から分かるように、レーザダイの熱応力および温度分布を考慮すると、最適なＷＣｕサブヒートシンクの厚さは３８０μｍである。

5 概要

パッケージングは、高出力半導体レーザーアプリケーションでは非常に重要であり、パッケージの品質によってレーザーの安定性と寿命が決まります。実際の高出力半導体レーザ装置に基づいて、この論文は異なるはんだ、異なる厚さのはんだおよび異なる厚さのタングステン - 銅サブヒートシンクパッケージの高出力半導体レーザストリップをシミュレートするためにマルチフィジックスシミュレーションソフトウェアCOMSOL Multiphysicsを使用し、異なる測定パッケージ状態でのレーザーバーの「笑顔」の値。その結果、WCuサブヒートシンクとCuヒートシンクの間の界面で最大の熱応力が発生し、それがInハンダか金錫ハンダかに関係なく、同じ厚さのInダイとAuSnハンダパッケージのレーザダイの熱応力はそれぞれ3.57GPaと3.83である。 ＧＰａ、ダイの最高温度はそれぞれ６１．８℃および６２℃であり、スペクトルピークは８００．５ｎｍおよび798nmであり、はんだの厚さを減少させ、これはレーザーダイ内部の熱応力および温度を減少させるのに有益であるが、はんだの厚さは薄すぎる。 WCuサブヒートシンクの厚さを厚くすると、レーザーダイに熱応力がかかるため、レーザーダイのハンダ付け不良やハンダ分布の不均一、ハンダ層内部のボイドが発生する可能性があります。小さいが、ダイ温度が上昇しているので、最適なタングステン銅二次ヒートシンクの厚さは380μmです。本論文は、高出力半導体レーザストリップの設計を最適化するための基礎を提供して、実際の生産のための指導的意義を持っている。