Evaluación de la Dureza de la Radiación de los Diodos Láser Basados ​​en GaSbassed para Aplicaciones Espaciales

Evaluación de la Dureza de la Radiación de los Diodos Láser Basados ​​en GaSbassed para Aplicaciones Espaciales

Ignacio Esquivias, José-Manuel G. Tijero, Juan Barbero, Demetrio López,
Marc Fischer, Karl Roessner & Johannes Koeth

 

Abstractp — Presentamos una evaluación de los efectos de la irradiación de protones y rayos gamma en el rendimiento de láseres de diodos láser de 2.1 μm basados ​​en GaSb para aplicaciones espaciales. El estudio se centra en los efectos de la radiación en las características de Corriente de Potencia, Tensión de Corriente y Temperatura de Longitud de Onda de los láseres. No se ha encontrado daño por radiación significativo.

Dureza de radiación de diodos láser basados ​​en GaSbbased

Características de corriente de potencia óptica de los láseres expuestos a radiación gamma y radiación de protones durante los diferentes pasos de prueba

Introducción  

Los diodos ASER se usan cada vez más para aplicaciones espaciales, ya sea para bombear láseres de estado sólido, en cargas fotónicas o como fuentes para aplicaciones LIDAR o espectrométricas. En aplicaciones espaciales, los problemas de confiabilidad son una preocupación principal y entre ellos, la dureza de la radiación es uno de los más distintivos con respecto a las aplicaciones terrestres. Se ha dedicado un gran esfuerzo a estudiar específicamente el efecto de la radiación en el rendimiento de los láseres de diodo basados ​​en GaAs e InP más comunes visibles y de infrarrojo cercano [1-5, y las referencias en este documento]. Johnston y Miyahira [1] estudiaron el efecto de la radiación de protones en diferentes tipos de diodos láser comerciales de baja potencia con longitudes de onda de emisión entre 660 y 1550 nm. Encontraron un aumento lineal de la corriente umbral con fluencia de protones, así como una pequeña reducción de la eficiencia de la pendiente. Interpretaron la degradación como resultado de una mayor tasa de recombinación no radiativa y observaron más claramente el efecto de la radiación cuando midieron los dispositivos por debajo del umbral. Troupakia et al. [2] realizó un plan de prueba detallado para barras de láser de alta potencia de 808 nm que incluyen prueba de vibración, irradiación de protones y rayos gamma. Llegaron a la conclusión de que los dispositivos evaluados son lo suficientemente robustos para sobrevivir a las vibraciones y tensiones de radiación de la mayoría de las misiones de vuelo espacial. Sin embargo, hasta donde sabemos, los efectos de la radiación en los diodos láser basados ​​en GaSb no se han investigado previamente. Estos dispositivos, que emiten en el infrarrojo medio entre 2 y 3 μm, son de gran interés para las aplicaciones de espectroscopia.

La degradación de las uniones GaSb p-n después de la irradiación se ha analizado en [6], en el marco de su aplicación en células solares de función múltiple. Se observó un aumento de la recombinación no radiativa después de la radiación, y las tasas de degradación para las uniones GaSb y GaAs fueron similares en el orden de magnitud. En este trabajo presentamos resultados sobre la dureza de la radiación de láseres de diodo basados ​​en GaSb que emiten infrarrojo medio para aplicaciones espaciales.

El trabajo se ha realizado en el marco de la invitación a licitar de la Agencia Espacial Europea (ESA) AO / 1-5618 / 08 / NL / CP), con el objetivo de evaluar el uso futuro de estos dispositivos en aplicaciones de espectrometría de a bordo. Los resultados generales de la evaluación se presentaron en [7].


Dispositivos láser, caracterización y condiciones de radiación


Dispositivos Láser

Los dispositivos analizados fueron diodos láser basados ​​en GaSb de 2100 nm que emiten Retroalimentación Distribuida (DFB). Las estructuras de láser se cultivaron en sustratos GaSb mediante Molecular Beam Epitaxy (MBE). La región activa consistía en varios pozos cuánticos InGaAsSb tipo I separados por barreras AlGaAsSb. Las capas de confinamiento y revestimiento también fueron aleaciones AlGaAsSb diferentes. Las estructuras se procesaron en diodos láser de cresta angosta, y la estructura DFB se realizó depositando una rejilla metálica a ambos lados de la cresta. Se pueden encontrar más detalles sobre la estructura de la epilayer y la tecnología de procesamiento para dispositivos similares en [8, 9]. Los chips láser se montaron en esparcidores de calor y se empacaron con fibra en monturas de mariposa herméticas, incluyendo una
controlador termoeléctrico integrado, monitor de fotodiodo y un elemento de detección de temperatura. La salida del láser se acopló a un modo simple SMF-28r.

Caracterización láser

Las características de corriente de potencia óptica (P-I) se midieron a partir de la fibra utilizando un controlador de láser Thorlab y un foto-detector Hamamatsu InGaAs. La calibración de la potencia óptica se realizó utilizando una termo-pila de Newport como detector de potencia. Las características de voltaje de corriente subumbral (I-V) se midieron usando una fuente Keithley SMU-237. La longitud de onda láser, en función de la corriente y la temperatura, se determinó usando un medidor de longitud de onda Bristol 721A. Se caracterizaron 20 dispositivos y se sometieron a un plan de prueba detallado [7], que además de los ensayos de radiación incluyeron ciclos mecánicos, térmicos y pruebas de duración. Los parámetros del láser electro-óptico más relevantes se resumen en la tabla I. Debe observarse que la potencia entregada por el chip láser fue mucho mayor que la potencia medida ex-fibra debido a las pérdidas de acoplamiento, estimadas en  50%.


Condición de radiacións

Tres muestras fueron expuestas a una Dosis de Ionización Total (radiación gamma) de hasta 100 krad en cuatro pasos diferentes a una dosis de 550 rad / h usando una fuente de cobalto 60 en las instalaciones del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT, Madrid, España). Tres muestras (una de ellas previamente irradiada con rayos gamma) fueron expuestas a Daño de Desplazamiento (DD) con radiación de protones de hasta 2 · 1010 protones · cm-2 en tres pasos a 60 MeV y flujo de protones de 107 protones · cm-2s-1, en las instalaciones de la Universidad Católica de Lovaina (UCL, Bélgica). Durante los procesos de irradiación de rayos gamma y protones, la temperatura de la muestra fue de 25 ºC y los dispositivos se cortocircuitaron. Las condiciones de radiación se seleccionaron como representativas de un satélite LEO (órbita terrestre baja) típica en una misión de tres años. Las características P-I y de longitud de onda se midieron después de cada paso de radiación, mientras que las características subumbrales I-V se midieron inicialmente y al final del plan de prueba para cada dispositivo. Se usaron dos muestras no irradiadas como referencia.

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Conclusiones

Dureza de radiación de diodos láser basados ​​en GaSbbased

Características del voltaje de corriente subumbral de los láseres expuestos a radiación gamma (a), radiación de protón (b), radiación gamma y protónica (c) y muestra de referencia (d)

Los diodos láser DFB basados ​​en GaSb que emiten en el rango de longitud de onda de 2,1 μm e integrados en un paquete Butterfly con una potencia de salida de alrededor de 10 mW se evaluaron en términos de dureza de radiación para aplicaciones en un entorno espacial. La degradación relacionada con la radiación no se observó hasta 100 krad de radiación gamma y hasta 2 · 1010 protones · cm-2 a 60 keV. Los resultados indican que los láseres de infrarrojo medio basados ​​en GaSb son candidatos adecuados para aplicaciones espaciales.

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