Войти
Катастрофическое оптическое повреждение (COD ) или катастрофическое повреждение оптического зеркала (COMD ), это режим отказа мощных полупроводниковых лазеров. Это происходит, когда полупроводниковый переход перегружен из-за превышения его плотности мощности и поглощает слишком много произведенной световой энергии, что приводит к плавлению и рекристаллизации полупроводникового материала на гранях лазера. Это часто в просторечии называется «перерывом диода». Пораженный участок содержит большое количество дефектов решетки, отрицательно влияющих на его характеристики. Если пораженная область достаточно велика, под оптическим микроскопом можно наблюдать потемнение лазерной фаски и / или наличие 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 факторов, ограничивающих повышение производительности полупроводниковых лазеров. Это основной вид отказа для красных лазеров AlGaInP / AlGaAs.
Коротковолновые лазеры более восприимчивы к ХПК, чем длинноволновые.
Типичные значения ХПК в промышленных изделиях находятся в диапазоне от 12 до 20 МВт / см.
На краю диодного лазера, где свет Излучаемые, зеркало традиционно формируется путем скола полупроводниковой пластины с образованием зеркально отражающей плоскости . Этому подходу способствует слабость кристаллографической плоскости [110 ] в кристаллах полупроводников III-V (таких как 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 бывает 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 уровни энергии в пределах (иначе запрещенной) запрещенной зоны полупроводника.
Поглощенный свет вызывает образование электронно-дырочных пар. Это может привести к разрыву химических связей на поверхности кристалла с последующим окислением или выделению тепла в результате безызлучательной рекомбинации. Окисленная поверхность затем демонстрирует повышенное поглощение лазерного света, что еще больше ускоряет ее разрушение. Окисление особенно проблематично для полупроводниковых слоев, содержащих алюминий.
По сути, в результате, когда свет распространяется через плоскость спайности и проходит в свободное пространство внутри полупроводникового кристалла, часть световой энергии поглощается поверхностные состояния, при которых он преобразуется в тепло за счет взаимодействий фонон - электрон. Это нагревает сколотое зеркало. Кроме того, зеркало может нагреваться просто потому, что край диодного лазера, который электрически накачивается, находится в неидеальном контакте с опорой, которая обеспечивает путь для отвода 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 положительной обратной связи, и результатом может быть плавление грани, известное как катастрофическое оптическое повреждение или ХПК.
Ухудшение граней лазера из-за 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.
Один из методов увеличения порога ХПК в AlGaInP Лазерные структуры представляют собой обработку серой, при которой оксиды на лазерной грани заменяются на халькогенидные стекла. Это снижает скорость рекомбинации поверхностных состояний.
Уменьшение скорости рекомбинации поверхностных состояний также может быть достигнуто за счет раскола кристаллов в сверхвысоком вакууме и немедленного нанесения подходящего пассивирующего слоя.
Тонкий слой алюминия может быть нанесен на поверхность для геттерирования кислорода.
Другим подходом является легирование поверхности, увеличение ширины запрещенной зоны и уменьшение поглощения длину волны генерации, смещая максимум поглощения на несколько нанометров вверх.
Сгущения тока около области зеркала можно избежать, предотвращая инжекцию носителей заряда около области зеркала. Это достигается размещением электродов подальше от зеркала, по крайней мере, на нескольких расстояниях диффузии носителей.
Плотность энергии на поверхности можно уменьшить, используя волновод, расширяющий оптический резонатор, так что такое же количество энергии выходит через большую площадь. Плотность энергии 15–20 МВт / см, соответствующая 100 мВт на микрометр ширины полосы, теперь достижима. Более широкая лазерная полоса может использоваться для более высокой выходной мощности, что снижает затраты на колебания поперечных мод и, следовательно, ухудшение спектрального и пространственного качества луча.
В 1970-х годах эта проблема, которая особенно остро стоит для GaAs на основе Были идентифицированы лазеры, излучающие длину волны от 1 мкм до 0,630 мкм (в меньшей степени, для лазеров на основе InP, используемых для дальней связи, которые излучают от 1,3 мкм до 2 мкм). Майкл Эттенберг, исследователь, а затем вице-президент RCA Laboratories Исследовательский центр Дэвида Сарноффа в Принстоне, Нью-Джерси, придумал решение. На грань нанесен тонкий слой оксида алюминия. Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он действует как антибликовое покрытие, уменьшая отражение на поверхности. Это уменьшило нагревание и ХПК на фаске.
С тех пор были применены различные другие улучшения. Один из подходов состоит в создании так называемого непоглощающего зеркала (NAM), так что последние 10 мкм или около того до того, как свет испускается из сколотой грани, становятся непоглощающими на интересующей длине волны. Такие лазеры называются оконными лазерами .
. В самом начале 1990-х SDL, Inc. начала поставлять высокомощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Скифрес и технический директор Дэвид Уэлч представили новые данные о надежности, например, на конференциях того времени SPIE Photonics West. Методы, используемые SDL для противодействия наложенным платежам, считались проприетарными и до сих пор не раскрывались публично по состоянию на июнь 2006 г.
В середине 1990-х гг. IBM Research (Ruschlikon, Швейцария ) объявил, что он разработал так называемый «процесс E2», который придал необычайную стойкость к ХПК в лазерах на основе GaAs. Этот процесс также никогда не был раскрыт по состоянию на июнь 2006 г.
Дипломная работа о ХПК в мощных диодных лазерах за 2013 г.
