Evaluación de Láseres DFB de 2,1 μm para Aplicaciones Espaciales

Evaluación de Láseres DFB de 2,1 μm para Aplicaciones Espaciales

Variación de longitud de onda SWIR (línea azul oscuro, eje derecho) con ciclo de temperatura ambiente para un diodo láser Temperatura controlada por TEC de 20ºC (línea azul claro). La línea roja es la temperatura real de la cámara y la línea violeta es la temperatura del paquete del láser medida con un termopar adicional.

Introducción

Para comprender la evaluación de los láseres DFB de 2,1μm para aplicaciones espaciales es importante saber más sobre los láseres semiconductores (o diodos láser) que operan en la región de longitud de onda de 1,8 μm a 3 μm. Son fuentes de luz atractivas para aplicaciones que incluyen sensores remotos, espectroscopía láser o contaminante detección. Los pozos cuánticos (QW) InGaAs altamente deformados que crecen en sustratos InP pueden operar hasta longitudes de onda ligeramente superiores a 2 μm. Las capas activas GaInAsSb en sustratos GaSb tienen una emisión potencial en el rango de 1.7-3.5 μm.

Los láseres DFB basados ​​en GaSb que emiten a 2 μm fueron informados por primera vez por la Universidad de Würzburg en 2001 [1]. Lograron la emisión a temperatura ambiente con potencias de salida de hasta 10 mW y una relación de supresión del modo lateral (SMSR) de 31 dB. Los diodos láser DFB se pueden sintonizar adicionalmente cambiando la temperatura de operación y la corriente de activación, como consecuencia de la dependencia del índice de refracción efectivo de la temperatura.

Esto hace que este tipo de fuente sea un candidato potencial para aplicaciones espaciales y en esta contribución se describirán los primeros resultados de los dispositivos de tipo mariposa Butterfly fibrecouple investigados que emiten en el rango de longitud de onda de 2,1 μm para aplicaciones en un entorno espacial.

En esta evaluación se ha trabajado conjuntamente con Alter Technology España, la Universidad Politécnica de Madrid (España), ETSI Telecommunication, nanoplus GmbH, Nanosystems and Technologies Oberer Kirschberg (Alemania) y la Agencia Espacial Europea, ESTEC Keplerlaan, Holanda. Este documento presenta los resultados obtenidos en el marco de un proyecto financiado por ESA llamado “Detección y preevaluación de diodos láser infrarrojos de onda corta para aplicaciones espaciales” con el objetivo de verificar la madurez de los láseres SWIR DFB de última generación a 2,1 μm para ser utilizados para aplicaciones espaciales (basado principalmente en el principio de medición de ocultación y espectroscopia). El documento se enfoca en el plan de evaluación de evaluación funcional y ambiental. Incluye caracterización de alta precisión, prueba mecánica (vibración y amortiguadores SRS), ciclos térmicos, pruebas de radiación de rayos gamma y protón, prueba de vida y algunos detalles del Análisis físico destructivo realizado. La caracterización electroóptica incluye medidas de las capacidades de ajuste del láser tanto por la corriente como por la temperatura, la estabilidad de la longitud de onda y la potencia óptica frente a la corriente del láser.

Resultados principales

SWIR Laser test flow proposed for 20 samples. (T means sample to be Tested, R means Reference and S means Spare; the samples came from two different lots)

Los principales resultados obtenidos al comparar los resultados antes y después de cada prueba ambiental se resumen en los siguientes párrafos:

• Resultados de la prueba de subgrupo mecánico: las muestras han soportado sin degradación las pruebas mecánicas (vibración y golpes SRS).
• Resultado de la prueba del subgrupo de radiación: Ni la radiación gamma ni la radiación de protones han afectado al láser.
• Resultados de la prueba de resistencia: varias muestras respaldan las fuertes condiciones de prueba de vida sin ninguna degradación que demuestre que la tecnología tiene la capacidad de sobrevivir los requisitos de la prueba de vida, aunque es preferible una mejor uniformidad de la fabricación del lote, si es posible. Además, se observó una falla y degradación temprana para algunos de los dispositivos, tal como se presentará en la charla.
• Resultados de la prueba de subgrupos térmicos: las muestras analizadas mostraron degradación durante el ciclo térmico que afecta la potencia de salida y las características de ajuste de los dispositivos, pero la razón subyacente de este comportamiento no se comprende en la actualidad y se sigue investigando.
• Análisis de construcción: El Análisis de Gas Residual (RGA) mostró una cierta cantidad de humedad interna en el paquete. Esto claramente puede tener un impacto en la confiabilidad del dispositivo y también podría ser la razón subyacente de los diferentes comportamientos durante las pruebas de resistencia.

Conclusión

Los diodos láser DFB basados ​​en una estructura láser en el sistema material AlGaInAsSb / GaSb que emite 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 10mW ex-fiber se investigan por primera vez para aplicaciones en un entorno espacial y se presentan los resultados de medición del plan de prueba correspondiente (mecánico, térmico, radiación y resistencia).

La precisión requerida para controlar la longitud de onda está directamente relacionada con la precisión de la corriente del láser y la temperatura del diodo láser. Si se necesita una gran precisión en el control de la longitud de onda, se debe tener en cuenta la dependencia de la longitud de onda con la temperatura ambiente que siempre estará presente, incluso con el control de la temperatura del diodo láser. No se ha observado degradación relacionada con la radiación. Un problema relacionado con el ciclo térmico está indicado por los resultados obtenidos hasta ahora; más investigaciones de este efecto (incluyendo DPA) se están realizando actualmente. Los resultados de la prueba de resistencia obtenidos hasta ahora (esta prueba continúa) muestra un comportamiento diferente para diferentes muestras, pero parece demostrar que no existen razones fundamentales que puedan impedir el uso de esta tecnología para aplicaciones espaciales.