Катастрофическое оптическое повреждение - Catastrophic optical damage

Катастрофическое оптическое повреждение (COD), или же катастрофическое повреждение оптического зеркала (COMD), является режимом отказа мощного полупроводниковые лазеры. Это происходит, когда полупроводниковый переход перегружен превышением своего удельная мощность и поглощает слишком много произведенной световой энергии, что приводит к таяние и перекристаллизация из полупроводниковый материал на гранях лазера. Это часто в просторечии называется «сгорание диода». Пораженная область содержит большое количество дефекты решетки, что отрицательно сказывается на его производительности. Если пораженный участок достаточно большой, его можно наблюдать под оптический микроскоп по потемнению лазерной фаски и / или по наличию трещин и бороздок. Повреждение может произойти за один лазерный импульс менее чем за миллисекунду. Время до ХПК обратно пропорционально плотности мощности.

Катастрофическое оптическое повреждение является одним из ограничивающих факторов повышения производительности полупроводниковых лазеров. Это основной режим отказа для АлГаИнП /AlGaAs красные лазеры.[1]

Коротковолновые лазеры более восприимчивы к ХПК, чем длинноволновые.

Типичные значения ХПК в промышленных продуктах составляют от 12 до 20. МВт /см2.

Причины и механизмы

На краю диодного лазера, где излучается свет, зеркало традиционно образовано раскалывание полупроводниковую пластину, чтобы сформировать зеркально отражающий самолет. Этому подходу способствует слабость [110 ] кристаллографическая плоскость в полупроводниковых кристаллах III-V (например, GaAs, InP, GaSb и др.) по сравнению с другими самолетами. Царапина на краю пластины и небольшая изгибающая сила заставляют почти атомарно идеальную зеркальную плоскость спайности формироваться и распространяться 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 обрыва идеально периодической решетки в этой плоскости. Состояния поверхности на расколотой плоскости есть уровни энергии в пределах (иначе запрещено) запрещенная зона полупроводника.

Поглощенный свет вызывает образование электронно-дырочных пар. Это может привести к нарушению химические связи на поверхности кристалла с последующим окисление, или к выделению тепла безызлучательная рекомбинация. Окисленная поверхность затем демонстрирует повышенное поглощение лазерного света, что еще больше ускоряет ее разрушение. Окисление особенно проблематично для полупроводниковых слоев, содержащих алюминий.[2]

По сути, в результате, когда свет распространяется через плоскость спайности и проходит в свободное пространство изнутри полупроводникового кристалла, часть световой энергии поглощается поверхностными состояниями, где она преобразуется в тепло посредством фонон -электрон взаимодействия. Это нагревает сколотое зеркало. Кроме того, зеркало может нагреваться просто потому, что край диодного лазера, который электрически накачанный - находится в менее чем идеальном контакте с креплением, обеспечивающим отвод тепла. Нагрев зеркала приводит к сокращению запрещенной зоны полупроводника в более теплых областях. Уменьшение запрещенной зоны приводит к большему количеству межзонных переходов электронов в соответствии с энергией фотонов, вызывая еще большее поглощение. Это тепловой разгон, форма положительный отзыв, и результатом может быть плавление грани, известное как катастрофическое оптическое повреждение, или наложенным платежом.

Ухудшение 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

Один из способов повышения порога ХПК в АлГаИнП лазерные конструкции - это сера лечение, которое заменяет оксиды на лазерной грани с халькогенидные очки.[4] Это снижает скорость рекомбинации поверхностных состояний.[2]

Снижение скорости рекомбинации поверхностных состояний может быть также достигнуто за счет скола кристаллов в сверхвысоких вакуум и немедленное нанесение подходящего пассивирующего слоя.[2]

На поверхность можно нанести тонкий слой алюминия для добыча кислород.[2]

Другой подход - легирование поверхности, увеличение ширины запрещенной зоны и уменьшение поглощения длины волны генерации, смещение максимума поглощения на несколько нанометров вверх.[2]

Текущая скученность возле зеркала можно избежать путем предотвращения инъекций носители заряда около зеркальной области. Это достигается за счет размещения электродов вдали от зеркала, по крайней мере, на несколько расстояний диффузии носителей.[2]

Плотность энергии на поверхности можно уменьшить, используя волновод расширение оптического резонатора, поэтому такое же количество энергии проходит через большую площадь. Плотность энергии 15–20 МВт / см2 соответствующие 100 мВт на микрометр ширины полосы теперь достижимы. Более широкая лазерная полоса может использоваться для более высокой выходной мощности, что снижает затраты на колебания поперечной моды и, следовательно, ухудшение спектрального и пространственного качества луча.[2]

В 1970-х годах была выявлена ​​эта проблема, которая особенно остро стоит для лазеров на основе GaAs, излучающих с длинами волн от 1 до 0,630 мкм (в меньшей степени для лазеров на основе InP, используемых для дальней связи, которые излучают от 1,3 до 2 мкм). Майкл Эттенберг, исследователь, а затем вице-президент RCA Лаборатории ' Исследовательский центр Дэвида Сарноффа в Принстон, Нью-Джерси, разработал решение. Тонкий слой оксид алюминия был нанесен на фацет. Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он функционирует как антибликовое покрытие, уменьшая отражение от поверхности. Это уменьшило нагревание и ХПК на фаске.

С тех пор были применены различные другие усовершенствования. Один из подходов заключается в создании так называемого непоглощающего зеркала (NAM), так что последние 10 мкм или около того до того, как свет испускается из сколотой грани, не будут поглощать на интересующей длине волны. Такие лазеры называются оконные лазеры.

В самом начале 1990-х годов SDL, Inc. начала поставлять высокомощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Скифрес и технический директор Дэвид Уэлч представили новые данные по надежности, например, на SPIE Фотоника Западных конференций эпохи. Методы, используемые SDL для противодействия COD, считались собственностью компании и по состоянию на июнь 2006 г. публично не раскрывались.

В середине 1990-х IBM Research (Ruschlikon, Швейцария ) объявил, что он разработал так называемый «процесс E2», который придал необычайную стойкость к ХПК в лазерах на основе GaAs. По состоянию на июнь 2006 года этот процесс тоже не разглашался.

дальнейшее чтение

Дипломная работа о ХПК в мощных диодных лазерах за 2013 г.

Рекомендации

  1. ^ [1] В архиве 13 февраля 2006 г. Wayback Machine
  2. ^ а б c d е ж грамм Роланд Диль (2000). Мощные диодные лазеры: основы, технологии, применение. Springer. п. 195. ISBN  3-540-66693-1.
  3. ^ Дэн Ботез, Дон Р. Скифрес (1994). Матрицы диодных лазеров. Издательство Кембриджского университета. п. 314. ISBN  0-521-41975-1.
  4. ^ Камияма, Сатоши; Мори, Йошихиро; Такахаши, Ясухито; Охнака, Киёси (1991). «Повышение уровня катастрофического оптического повреждения лазерных диодов видимого диапазона AlGaInP». Письма по прикладной физике. 58 (23): 2595. Bibcode:1991АпФЛ..58,2595К. Дои:10.1063/1.104833.