Catastrophic optical damage

Введение

Режим отказа полупроводниковых лазеров Катастрофический оптический ущерб (COD) или катастрофический оптический зеркальный ущерб (COMD) - это режим отказа высокомощных полупроводниковых лазеров. Это происходит, когда полупроводниковый узел перегружен, превышая его плотность мощности, и поглощает слишком много производимой световой энергии, что приводит к плавлению и рекристаллизации полупроводникового материала на фасадах лазера. Это часто в разговорной речи называют "взрывом диода". В пораженной области содержится большое количество дефектов решетки, что негативно влияет на ее производительность. Если пораженная область достаточно велика, она может быть заметна под оптическим микроскопом как затемнение лазерной фасфетки и/или как наличие трещин и канавок. Повреждение может произойти в течение одного лазерного импульса, менее чем за миллисекунду. Время до СОД обратно пропорционально плотности мощности. Катастрофическое оптическое повреждение является одним из ограничивающих факторов повышения производительности полупроводниковых лазеров. Это основной режим отказа для красных лазеров AlGaInP/AlGaAs. Лазеры с короткой длиной волны более восприимчивы к ОКР, чем лазеры с длинной длиной волны. Типичные значения для СОД в промышленных продуктах колеблются от 12 до 20 МВт/см2.

Причины и механизмы

На краю диодного лазера, где излучается свет, зеркало традиционно образуется путем расщепления полупроводниковой пластины для образования зеркально отражающей плоскости. Этот подход облегчается слабостью [110] кристаллографической плоскости в III V полупроводниковых кристаллах (таких как GaAs, InP, GaSb и т. д.). по сравнению с другими самолетами. Поцарапание на краю пластинки и небольшая сила изгиба заставляет почти атомарно идеальное зеркало, подобное плоскости расщепления, формироваться и распространяться по прямой линии по пластинке. Но так случается, что атомные состояния на плоскости расщепления изменяются (по сравнению с их объемными свойствами внутри кристалла) за счет окончания совершенно периодической решетки на этой плоскости. Поверхностные состояния в расщепленной плоскости имеют уровни энергии в пределах (в противном случае запрещенного) полосового разрыва полупроводника. Поглощенный свет вызывает генерацию электронных дыр. Они могут привести к разрыву химических связей на поверхности кристалла, за которым следует окисление, или к высвобождению тепла путем нерадиационной рекомбинации. Окисленная поверхность затем показывает увеличенное поглощение лазерного света, что еще больше ускоряет ее деградацию. Окисление особенно проблематично для полупроводниковых слоев, содержащих алюминий. По сути, в результате, когда свет распространяется через плоскость расщепления и переходит в свободное пространство изнутри полупроводникового кристалла, часть энергии света поглощается поверхностными состояниями, где она преобразуется в тепло посредством фононовых электронных взаимодействий. Это нагревает расщепленное зеркало. Кроме того, зеркало может нагреваться просто потому, что край диодного лазера, который электрически накачивается, находится в недостаточно идеальном контакте с креплением, которое обеспечивает путь для удаления тепла. Нагрев зеркала приводит к сокращению полосы полосы полупроводника в более теплых областях. Сокращение полосы пробелов приводит к большему количеству переходов от электронной полосы к полосе в выравнивание с энергией фотона, вызывая еще больше поглощения. Это тепловой бег, форма положительной обратной связи, и результатом может быть плавление фасфеты, известное как катастрофическое оптическое повреждение, или СОЗ. Ухудшение состояния лазерных фассет вследствие старения и воздействия окружающей среды (эрозия водой, кислородом и т.д.) увеличивает поглощение света поверхностью и снижает порог КПК. Внезапная катастрофическая неисправность лазера из-за COD может произойти после многих тысяч часов работы.

At the edge of a diode laser, where light is emitted, a mirror is traditionally formed by cleaving the semiconductor wafer to form a specularly reflecting plane. This approach is facilitated by the weakness of the [110] crystallographic plane in III V semiconductor crystals (such as GaAs, InP, GaSb, etc.) compared to other planes. A scratch made at the edge of the wafer and a slight bending force causes a nearly atomically perfect mirror like cleavage plane to form and propagate in a straight line across the wafer. But it so happens that the atomic states at the cleavage plane are altered (compared to their bulk properties within the crystal) by the termination of the perfectly periodic lattice at that plane. Surface states at the cleaved plane have energy levels within the (otherwise forbidden) band gap of the semiconductor. The absorbed light causes generation of electron hole pairs. These can lead to breaking of chemical bonds on the crystal surface followed by oxidation, or to release of heat by nonradiative recombination. The oxidized surface then shows increased absorption of the laser light, which further accelerates its degradation. The oxidation is especially problematic for semiconductor layers containing aluminium. Essentially, as a result when light propagates through the cleavage plane and transits to free space from within the semiconductor crystal, a fraction of the light energy is absorbed by the surface states where it is converted to heat by phonon electron interactions. This heats the cleaved mirror. In addition the mirror may heat simply because the edge of the diode laser—which is electrically pumped—is in less than perfect contact with the mount that provides a path for heat removal. The heating of the mirror causes the band gap of the semiconductor to shrink in the warmer areas. The band gap shrinkage brings more electronic band to band transitions into alignment with the photon energy causing yet more absorption. This is thermal runaway, a form of positive feedback, and the result can be melting of the facet, known as catastrophic optical damage, or COD. Deterioration of the laser facets with aging and effects of the environment (erosion by water, oxygen, etc.) increases light absorption by the surface, and decreases the COD threshold. A sudden catastrophic failure of the laser due to COD then can occur after many thousands hours in service.

Улучшения

Одним из методов повышения порога СОД в лазерных структурах AlGaInP является обработка серной кислотой, которая заменяет оксиды на лазерной фасфете на халкогенидные стекла. Это уменьшает скорость рекомбинации состояний поверхности. Снижение скорости рекомбинации поверхностных состояний также может быть достигнуто путем расщепления кристаллов в сверхвысоком вакууме и немедленного осаждения подходящего пассивирующего слоя. Тонкий слой алюминия может быть отложен на поверхность для получения кислорода. Другой подход - допинг поверхности, увеличение полосы пробелов и уменьшение поглощения лазерной длины волны, смещение максимума поглощения на несколько нанометров вверх. Сгущения токов вблизи зеркальной области можно избежать, не вводя носители заряда вблизи зеркальной области. Это достигается путем размещения электродов вдали от зеркала, по крайней мере на расстоянии нескольких расстояний диффузии носителя. Плотность энергии на поверхности может быть уменьшена за счет использования волновода, расширяющего оптическую полость, так что одно и то же количество энергии выходит через большую область. Теперь можно достичь плотности энергии 15-20 МВт/см2, что соответствует 100 мВт на микрометр ширины полосы. Для более высокой выходной мощности можно использовать более широкую лазерную полосу, за счет затрат на поперечные колебания режима и, следовательно, ухудшения качества спектрального и пространственного пучка. В 1970-х годах была выявлена эта проблема, которая особенно остро стоит для лазеров на основе GaAs, излучающих длины волн от 1 мкм до 0,630 мкм (менее для лазеров на основе InP, используемых для телекоммуникаций на дальние расстояния, которые излучают от 1,3 мкм до 2 мкм). Майкл Эттенберг, исследователь, а позднее вице-президент исследовательского центра Дэвида Сарноффа RCA Laboratories в Принстоне, штат Нью-Джерси, придумал решение. На фасфете был наложен тонкий слой оксида алюминия. Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он действует как антирефлекторное покрытие, уменьшая отражение на поверхности. Это облегчило нагрев и причину смерти на фасфете. С тех пор были применены и другие уточнения. Один из подходов заключается в создании так называемого не поглощающего зеркала (NAM), так что последние 10 мкм или около того, прежде чем свет испускается от расщепленной фасэты, не поглощают на интересующей длине волны. Такие лазеры называются лазерами-окна. В самом начале 1990-х годов компания SDL, Inc. начала поставлять высокомощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Скифрес и технический директор Дэвид Уэлч представили новые данные о производительности надежности, например, на конференциях SPIE Photonics West. Методы, используемые SDL для борьбы с COD, считались высоко запатентованными и до сих пор не были раскрыты публично по состоянию на июнь 2006 года. В середине 1990-х годов IBM Research (Рушликон, Швейцария) объявила, что разработала так называемый "процесс E2", который придает необыкновенную устойчивость к СОД в лазерах на основе GaAs. Этот процесс тоже никогда не был раскрыт по состоянию на июнь 2006 года.

One of the methods of increasing the COD threshold in AlGaInP laser structures is the sulfur treatment, which replaces the oxides at the laser facet with chalcogenide glasses. This decreases the recombination velocity of the surface states. Reduction of recombination velocity of surface states can be also achieved by cleaving the crystals in ultrahigh vacuum and immediate deposition of a suitable passivation layer. A thin layer of aluminium can be deposited over the surface, for gettering the oxygen. Another approach is doping of the surface, increasing the band gap and decreasing absorption of the lasing wavelength, shifting the absorption maximum several nanometers up. Current crowding near the mirror area can be avoided by prevention of injecting charge carriers near the mirror region. This is achieved by depositing the electrodes away from the mirror, at least several carrier diffusion distances. Energy density on the surface can be reduced by employing a waveguide broadening the optical cavity, so the same amount of energy exits through a larger area. Energy density of 15–20 MW/cm2 corresponding to 100 mW per micrometer of stripe width are now achievable. A wider laser stripe can be used for higher output power, for the cost of transverse mode oscillations and therefore worsening of spectral and spatial beam quality. In the 1970s, this problem, which is particularly nettlesome for GaAs based lasers emitting between 1 μm and 0.630 μm wavelengths (less so for InP based lasers used for long haul telecommunications which emit between 1.3 μm and 2 μm), was identified. Michael Ettenberg, a researcher and later Vice President at RCA Laboratories' David Sarnoff Research Center in Princeton, New Jersey, devised a solution. A thin layer of aluminum oxide was deposited on the facet. If the aluminum oxide thickness is chosen correctly, it functions as an anti reflective coating, reducing reflection at the surface. This alleviated the heating and COD at the facet. Since then, various other refinements have been employed. One approach is to create a so called non absorbing mirror (NAM) such that the final 10 μm or so before the light emits from the cleaved facet are rendered non absorbing at the wavelength of interest. Such lasers are called window lasers. In the very early 1990s, SDL, Inc. began supplying high power diode lasers with good reliability characteristics. CEO Donald Scifres and CTO David Welch presented new reliability performance data at, e. g., SPIE Photonics West conferences of the era. The methods used by SDL to defeat COD were considered to be highly proprietary and have still not been disclosed publicly as of June, 2006. In the mid 1990s IBM Research (Ruschlikon, Switzerland) announced that it had devised its so called "E2 process" which conferred extraordinary resistance to COD in GaAs based lasers. This process, too, has never been disclosed as of June, 2006.