El daño óptico catastrófico ( DQO ) o el daño catastrófico del espejo óptico ( COMD ) es un modo de falla de los láseres semiconductores de alta potencia . Ocurre cuando la unión del semiconductor se sobrecarga al exceder su densidad de potencia y absorbe demasiada energía luminosa producida, lo que lleva a la fusión y recristalización del material semiconductor en las facetas del láser. A esto a menudo se le llama coloquialmente "soplar el diodo". El área afectada contiene una gran cantidad de defectos de celosía., afectando negativamente su desempeño. Si el área afectada es lo suficientemente grande, se puede observar al microscopio óptico como oscurecimiento de la faceta del láser y / o como presencia de grietas y ranuras. El daño puede ocurrir con un solo pulso de láser, en menos de un milisegundo. El tiempo de COD es inversamente proporcional a la densidad de potencia.
El daño óptico catastrófico es uno de los factores que limitan el aumento del rendimiento de los láseres semiconductores. Es el modo de falla principal para los láseres rojos AlGaInP / AlGaAs . [1]
Los láseres de longitud de onda corta son más susceptibles a la DQO que los de longitud de onda larga.
Los valores típicos de DQO en productos industriales oscilan entre 12 y 20 MW / cm 2 .
Causas y mecanismos
En el borde de un láser de diodo, donde se emite luz, tradicionalmente se forma un espejo cortando la oblea semiconductora para formar un plano reflectante especular . Este enfoque se ve facilitado por la debilidad del plano cristalográfico [ 110 ] en los cristales semiconductores III-V (como GaAs , InP , GaSb , etc.) en comparación con otros planos. Un rasguño hecho en el borde de la oblea y una ligera fuerza de flexión hacen que se forme un plano de división similar a un espejo casi atómicamente perfecto y se propague en línea recta a través de la oblea.
Pero sucede que los estados atómicos en el plano de escisión se alteran (en comparación con sus propiedades generales dentro del cristal) por la terminación de la red perfectamente periódica en ese plano. Los estados de superficie en el plano escindido tienen niveles de energía dentro de la banda prohibida (de otro modo prohibida) del semiconductor.
La luz absorbida provoca la generación de pares de electrones y huecos. Estos pueden provocar la ruptura de enlaces químicos en la superficie del cristal seguida de oxidación , o la liberación de calor por recombinación no radiativa . La superficie oxidada muestra una mayor absorción de la luz láser, lo que acelera aún más su degradación. La oxidación es especialmente problemática para las capas semiconductoras que contienen aluminio. [2]
Esencialmente, como resultado, cuando la luz se propaga a través del plano de escisión y transita hacia el espacio libre desde el interior del cristal semiconductor, una fracción de la energía luminosa es absorbida por los estados de la superficie donde se convierte en calor por las interacciones fonón - electrón . Esto calienta el espejo partido. Además, el espejo puede calentarse simplemente porque el borde del láser de diodo, que se bombea eléctricamente, está en contacto menos que perfecto con la montura que proporciona un camino para la eliminación del calor. El calentamiento del espejo hace que la banda prohibida del semiconductor se contraiga en las áreas más cálidas. La contracción de la banda prohibida trae más transiciones electrónicas de banda a banda para alinearse con la energía del fotón, lo que provoca aún más absorción. Esto es una fuga térmica , una forma de retroalimentación positiva , y el resultado puede ser la fusión de la faceta, conocida como daño óptico catastrófico o DQO.
El deterioro de las facetas del láser con el envejecimiento y los efectos del medio ambiente (erosión por agua, oxígeno, etc.) aumenta la absorción de luz por la superficie y disminuye el umbral de DQO. Una falla repentina y catastrófica del láser debido a DQO puede ocurrir luego de muchos miles de horas de servicio. [3]
Mejoras
Uno de los métodos para aumentar el umbral de DQO en las estructuras del láser AlGaInP es el tratamiento con azufre , que reemplaza los óxidos en la faceta del láser con vidrios de calcogenuro . [4] Esto disminuye la velocidad de recombinación de los estados superficiales. [2]
La reducción de la velocidad de recombinación de los estados superficiales también se puede lograr mediante la escisión de los cristales en vacío ultra alto y la deposición inmediata de una capa de pasivación adecuada. [2]
Se puede depositar una fina capa de aluminio sobre la superficie para captar el oxígeno. [2]
Otro enfoque es el dopaje de la superficie, aumentando la banda prohibida y disminuyendo la absorción de la longitud de onda láser, desplazando el máximo de absorción varios nanómetros hacia arriba. [2]
La acumulación de corriente cerca del área del espejo se puede evitar evitando inyectar portadores de carga cerca de la región del espejo. Esto se logra depositando los electrodos lejos del espejo, al menos a varias distancias de difusión del portador. [2]
La densidad de energía en la superficie se puede reducir empleando una guía de ondas que amplíe la cavidad óptica, de modo que la misma cantidad de energía salga a través de un área más grande. Ahora se puede lograr una densidad de energía de 15-20 MW / cm 2 correspondiente a 100 mW por micrómetro de ancho de franja. Se puede usar una franja láser más ancha para una mayor potencia de salida, por el costo de las oscilaciones de modo transversal y, por lo tanto, el empeoramiento de la calidad del haz espectral y espacial. [2]
En la década de 1970, se identificó este problema, que es particularmente molesto para los láseres basados en GaAs que emiten entre 1 µm y 0,630 µm de longitud de onda (menos para los láseres basados en InP utilizados para telecomunicaciones de larga distancia que emiten entre 1,3 µm y 2 µm). Michael Ettenberg, investigador y luego vicepresidente del Centro de Investigación David Sarnoff de RCA Laboratories en Princeton, Nueva Jersey , ideó una solución. Se depositó una fina capa de óxido de aluminio sobre la faceta. Si el espesor de óxido de aluminio se elige correctamente, funciona como un revestimiento antirreflectante , reduciendo la reflexión en la superficie. Esto alivió el calentamiento y la DQO en la faceta.
Desde entonces, se han empleado varios otros refinamientos. Un enfoque consiste en crear un llamado espejo no absorbente (NAM) de modo que los 10 µm finales más o menos antes de que la luz emitida desde la faceta escindida se vuelvan no absorbentes en la longitud de onda de interés. Estos láseres se denominan láseres de ventana .
A principios de la década de 1990, SDL, Inc. comenzó a suministrar láseres de diodo de alta potencia con buenas características de confiabilidad. El CEO Donald Scifres y el CTO David Welch presentaron nuevos datos de rendimiento de confiabilidad en, por ejemplo, las conferencias SPIE Photonics West de la época. Los métodos utilizados por SDL para derrotar a COD se consideraron altamente patentados y aún no se han divulgado públicamente en junio de 2006.
A mediados de la década de 1990, IBM Research (Ruschlikon, Suiza ) anunció que había ideado su llamado "proceso E2", que confería una resistencia extraordinaria a la DQO en láseres basados en GaAs. Este proceso tampoco se ha divulgado hasta junio de 2006.
Otras lecturas
Tesis de posgrado sobre DQO en láseres de diodo de alta potencia de 2013
Referencias
- ^ [1] Archivado el 13 de febrero de 2006 en la Wayback Machine.
- ↑ a b c d e f g Roland Diehl (2000). Láseres de diodo de alta potencia: fundamentos, tecnología, aplicaciones . Saltador. pag. 195. ISBN 3-540-66693-1.
- ^ Dan Botez, Don R. Scifres (1994). Matrices de diodos láser . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 314. ISBN 0-521-41975-1.
- ^ Kamiyama, Satoshi; Mori, Yoshihiro; Takahashi, Yasuhito; Ohnaka, Kiyoshi (1991). "Mejora del nivel de daño óptico catastrófico de los diodos láser visibles AlGaInP". Letras de Física Aplicada . 58 (23): 2595. bibcode : 1991ApPhL..58.2595K . doi : 10.1063 / 1.104833 .