Катастрофические оптические повреждения
Катастрофическое оптическое повреждение ( COD ) или катастрофическое повреждение оптического зеркала ( COMD ) — это режим отказа мощных полупроводниковых лазеров . Это происходит, когда полупроводниковый переход перегружается из-за превышения его плотности мощности и поглощает слишком много производимой световой энергии, что приводит к плавлению и рекристаллизации полупроводникового материала на гранях лазера. В просторечии это часто называют «перегоранием диода». Пораженный участок содержит большое количество дефектов решетки , отрицательно влияющих на ее работоспособность. Если пораженная область достаточно велика, ее можно наблюдать под оптическим микроскопом по потемнению лазерной грани и/или по наличию трещин и бороздок. Повреждение может произойти в течение одного лазерного импульса, менее чем за миллисекунду. Время до COD обратно пропорционально плотности мощности.
Катастрофические оптические повреждения являются одним из ограничивающих факторов повышения производительности полупроводниковых лазеров. Это основной вид отказа красных лазеров AlGaInP / AlGaAs . [1]
Коротковолновые лазеры более восприимчивы к ХПК, чем длинноволновые.
Типичные значения ХПК в промышленной продукции варьируются от 12 до 20 МВт /см. 2 .
Причины и механизмы
[ редактировать ]На краю диодного лазера, где излучается свет, традиционно формируется зеркало путем раскола полупроводниковой пластины с образованием зеркально отражающей плоскости. Этому подходу способствует слабость [ 110 ] кристаллографической плоскости в полупроводниковых кристаллах III-V (таких как GaAs , InP , GaSb и др.) по сравнению с другими плоскостями. Царапина, сделанная на краю пластины, и небольшая изгибающая сила приводят к образованию почти атомарно идеальной зеркальной плоскости спайности, которая распространяется по прямой линии через пластину.
Но случается так, что атомные состояния в плоскости спайности изменяются (по сравнению с их объемными свойствами внутри кристалла) из-за прекращения идеально периодической решетки в этой плоскости. Поверхностные состояния в плоскости скола имеют энергетические уровни внутри (в противном случае запрещенной) запрещенной зоны полупроводника.
Поглощенный свет вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Это может привести к разрыву химических связей на поверхности кристалла с последующим окислением или к выделению тепла за счет безызлучательной рекомбинации . Окисленная поверхность затем демонстрирует повышенное поглощение лазерного света, что еще больше ускоряет ее деградацию. Окисление особенно проблематично для полупроводниковых слоев, содержащих алюминий. [2]
По сути, в результате, когда свет распространяется через плоскость спайности и переходит в свободное пространство изнутри полупроводникового кристалла, часть энергии света поглощается поверхностными состояниями, где она преобразуется в тепло посредством фонон - электронных взаимодействий. Это нагревает расколотое зеркало. Кроме того, зеркало может нагреваться просто потому, что край диодного лазера с электрической накачкой не находится в идеальном контакте с креплением, обеспечивающим путь для отвода тепла. Нагрев зеркала приводит к сокращению запрещенной зоны полупроводника в более теплых областях. Сокращение запрещенной зоны приводит к тому, что большее количество электронных переходов между зонами выравнивается с энергией фотонов, что приводит к еще большему поглощению. Это тепловой разгон , форма положительной обратной связи , результатом которой может стать плавление грани, известное как катастрофическое оптическое повреждение , или ХПК.
Износ граней лазера в результате старения и воздействия окружающей среды (эрозия водой, кислородом и т. д.) увеличивает поглощение света поверхностью и снижает порог ХПК. Внезапный катастрофический отказ лазера из-за ХПК может произойти после многих тысяч часов эксплуатации. [3]
Улучшения
[ редактировать ]Одним из методов повышения порога ХПК в AlGaInP лазерных структурах является обработка серой , при которой оксиды на лазерной грани заменяются халькогенидными стеклами . [4] Это уменьшает скорость рекомбинации поверхностных состояний. [2]
Уменьшения скорости рекомбинации поверхностных состояний можно также добиться путем скалывания кристаллов в сверхвысоком вакууме и немедленного нанесения соответствующего пассивирующего слоя. [2]
На поверхность можно нанести тонкий слой алюминия для поглощения кислорода. [2]
Другой подход — легирование поверхности, увеличение запрещенной зоны и уменьшение поглощения длины волны генерации, смещение максимума поглощения на несколько нанометров вверх. [2]
Скопления тока вблизи зеркальной области можно избежать, предотвращая инжекцию носителей заряда вблизи зеркальной области. Это достигается путем размещения электродов на расстоянии от зеркала, по крайней мере, на несколько диффузионных расстояний носителей. [2]
Плотность энергии на поверхности можно уменьшить, используя волновод, расширяющий оптический резонатор, поэтому такое же количество энергии выходит через большую площадь. Плотность энергии 15–20 МВт/см. 2 что соответствует 100 мВт на микрометр ширины полосы, теперь достижимо. Более широкая лазерная полоса может использоваться для более высокой выходной мощности за счет поперечных колебаний мод и, следовательно, ухудшения спектрального и пространственного качества луча. [2]
В 1970-х годах была выявлена эта проблема, которая особенно неприятна для лазеров на основе GaAs с длиной волны от 1 до 0,630 мкм (в меньшей степени для лазеров на основе InP, используемых для дальней связи и излучающих с длиной волны от 1,3 до 2 мкм). Майкл Эттенберг, исследователь, а затем вице-президент RCA Laboratories исследовательского центра Дэвида Сарноффа в Принстоне, штат Нью-Джерси , нашел решение. тонкий слой оксида алюминия На грань был нанесен . Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он действует как антибликовое покрытие , уменьшая отражение на поверхности. Это уменьшило нагрев и ХПК на грани.
С тех пор были использованы различные другие усовершенствования. Один из подходов заключается в создании так называемого непоглощающего зеркала (NAM), в котором последние 10 мкм или около того перед тем, как свет испустится из сколотой грани, становятся непоглощающими на интересующей длине волны. Такие лазеры называются оконными лазерами .
В самом начале 1990-х годов компания SDL, Inc. начала поставлять мощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Скифрес и технический директор Дэвид Уэлч представили новые данные о надежности, например, на конференциях SPIE Photonics West того времени. Методы, используемые SDL для борьбы с COD, считались запатентованными и по состоянию на июнь 2006 года до сих пор не были раскрыты публично.
В середине 1990-х годов компания IBM Research (Рушликон, Швейцария ) объявила, что разработала так называемый «процесс E2», который придает лазерам на основе GaAs исключительную устойчивость к ХПК. По состоянию на июнь 2006 года этот процесс также никогда не разглашался.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]Дипломная работа по ХПК в мощных диодных лазерах, 2013 г.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ [1] Архивировано 13 февраля 2006 г., в Wayback Machine.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Роланд Диль (2000). Мощные диодные лазеры: основы, технология, применение . Спрингер. п. 195. ИСБН 3-540-66693-1 .
- ^ Дэн Ботез, Дон Р. Скифрс (1994). Диодные лазерные матрицы . Издательство Кембриджского университета. п. 314. ИСБН 0-521-41975-1 .
- ^ Камияма, Сатоши; Мори, Ёсихиро; Такахаси, Ясухито; Онака, Киёси (1991). «Повышение уровня катастрофических оптических повреждений AlGaInP лазерных диодов видимого диапазона». Письма по прикладной физике . 58 (23): 2595. Бибкод : 1991ApPhL..58.2595K . дои : 10.1063/1.104833 .