Dommages optiques catastrophiques - Catastrophic optical damage
Les dommages optiques catastrophiques ( DCO ) ou les dommages catastrophiques aux miroirs optiques ( COMD ) sont un mode de défaillance des lasers à semi - conducteurs à haute puissance . Il se produit lorsque la jonction semi - conductrice est surchargée en dépassant sa densité de puissance et absorbe trop de l'énergie lumineuse produite, conduisant à la fusion et à la recristallisation du matériau semi - conducteur au niveau des facettes du laser. Ceci est souvent appelé familièrement "souffler la diode". La zone affectée contient un grand nombre de défauts de réseau , affectant négativement ses performances. Si la zone touchée est suffisamment grande, elle peut être observable au microscope optique comme un assombrissement de la facette laser, et / ou comme présence de fissures et de rainures. Les dommages peuvent survenir en une seule impulsion laser, en moins d'une milliseconde. Le temps de COD est inversement proportionnel à la densité de puissance.
Les dommages optiques catastrophiques sont l'un des facteurs limitants de l'augmentation des performances des lasers à semi-conducteurs. C'est le mode de défaillance principal des lasers rouges AlGaInP / AlGaAs .
Les lasers à courte longueur d'onde sont plus sensibles à la DCO que les lasers à longue longueur d'onde.
Les valeurs typiques de DCO dans les produits industriels varient entre 12 et 20 MW / cm 2 .
Causes et mécanismes
Au bord d'un laser à diode, où la lumière est émise, un miroir est traditionnellement formé en clivant la plaquette semi-conductrice pour former un plan de réflexion spéculaire . Cette approche est facilitée par la faiblesse du plan cristallographique [ 110 ] dans les cristaux semi-conducteurs III-V (tels que GaAs , InP , GaSb , etc.) par rapport aux autres plans. Une rayure faite au bord de la tranche et une légère force de flexion provoquent la formation et la propagation d'un plan de clivage en forme de miroir presque atomiquement parfait en ligne droite à travers la tranche.
Mais il se trouve que les états atomiques au niveau du plan de clivage sont modifiés (par rapport à leurs propriétés de masse dans le cristal) par la terminaison du réseau parfaitement périodique à ce plan. Les états de surface au niveau du plan clivé ont des niveaux d'énergie dans la bande interdite (autrement interdite) du semi-conducteur.
La lumière absorbée provoque la génération de paires électron-trou. Celles-ci peuvent conduire à la rupture des liaisons chimiques sur la surface du cristal suivie d'une oxydation , ou à la libération de chaleur par recombinaison non radiative . La surface oxydée montre alors une absorption accrue de la lumière laser, ce qui accélère encore sa dégradation. L'oxydation est particulièrement problématique pour les couches semi-conductrices contenant de l'aluminium.
Essentiellement, lorsque la lumière se propage à travers le plan de clivage et transite vers l'espace libre à partir de l'intérieur du cristal semi-conducteur, une fraction de l'énergie lumineuse est absorbée par les états de surface où elle est convertie en chaleur par des interactions phonon - électron . Cela chauffe le miroir clivé. En outre, le miroir peut chauffer simplement parce que le bord du laser à diode - qui est pompé électriquement - n'est pas en contact parfait avec le support qui fournit un chemin pour l'évacuation de la chaleur. Le chauffage du miroir provoque le rétrécissement de la bande interdite du semi-conducteur dans les zones plus chaudes. Le rétrécissement de la bande interdite amène davantage de transitions électroniques de bande à bande en alignement avec l'énergie des photons, ce qui entraîne encore plus d'absorption. Il s'agit d' un emballement thermique , une forme de rétroaction positive , et le résultat peut être la fusion de la facette, appelée dommage optique catastrophique ou DCO.
La détérioration des facettes laser avec le vieillissement et les effets de l'environnement (érosion par l'eau, l'oxygène, etc.) augmente l'absorption lumineuse par la surface, et diminue le seuil de DCO. Une panne catastrophique soudaine du laser due à la DCO peut alors se produire après plusieurs milliers d'heures de service.
Améliorations
L'une des méthodes pour augmenter le seuil de DCO dans les structures laser AlGaInP est le traitement au soufre , qui remplace les oxydes de la facette laser par des verres de chalcogénure . Cela diminue la vitesse de recombinaison des états de surface.
La réduction de la vitesse de recombinaison des états de surface peut également être obtenue par clivage des cristaux sous ultra- vide et dépôt immédiat d'une couche de passivation appropriée.
Une mince couche d'aluminium peut être déposée sur la surface, par dégazage de l'oxygène.
Une autre approche est le dopage de la surface, augmentant la bande interdite et diminuant l'absorption de la longueur d'onde du laser, décalant le maximum d'absorption de plusieurs nanomètres vers le haut.
L'encombrement actuel près de la zone du miroir peut être évité en empêchant l'injection de porteurs de charge près de la zone du miroir. Ceci est réalisé en déposant les électrodes à distance du miroir, à au moins plusieurs distances de diffusion des porteurs.
La densité d'énergie sur la surface peut être réduite en utilisant un guide d'ondes élargissant la cavité optique, de sorte que la même quantité d'énergie sort à travers une zone plus grande. Une densité d'énergie de 15 à 20 MW / cm 2 correspondant à 100 mW par micromètre de largeur de bande est désormais réalisable. Une bande laser plus large peut être utilisée pour une puissance de sortie plus élevée, pour le coût des oscillations en mode transverse et donc une détérioration de la qualité spectrale et spatiale du faisceau.
Dans les années 1970, ce problème, particulièrement épineux pour les lasers à base de GaAs émettant entre 1 µm et 0,630 µm de longueur d'onde (moins pour les lasers à base d'InP utilisés pour les télécommunications longue distance qui émettent entre 1,3 µm et 2 µm), a été identifié. Michael Ettenberg, un chercheur et plus tard vice-président au David Sarnoff Research Center de RCA Laboratories à Princeton, New Jersey , a conçu une solution. Une fine couche d' oxyde d'aluminium a été déposée sur la facette. Si l'épaisseur d'oxyde d'aluminium est choisie correctement, il fonctionne comme un revêtement antireflet , réduisant la réflexion à la surface. Cela a atténué le chauffage et la DCO à la facette.
Depuis lors, diverses autres améliorations ont été employées. Une approche consiste à créer un soi-disant miroir non absorbant (NAM) de telle sorte que les 10 um finaux environ avant que la lumière émise à partir de la facette clivée soient rendus non absorbants à la longueur d'onde d'intérêt. Ces lasers sont appelés lasers de fenêtre .
Au tout début des années 90, SDL, Inc. a commencé à fournir des lasers à diode haute puissance avec de bonnes caractéristiques de fiabilité. Le PDG Donald Scifres et le CTO David Welch ont présenté de nouvelles données sur les performances de fiabilité lors, par exemple, des conférences SPIE Photonics West de l'époque. Les méthodes utilisées par SDL pour vaincre la DCO ont été considérées comme hautement exclusives et n'ont toujours pas été divulguées publiquement en juin 2006.
Au milieu des années 1990, IBM Research (Ruschlikon, Suisse ) a annoncé avoir mis au point son soi-disant «processus E2» qui conférait une résistance extraordinaire à la DCO dans les lasers à base de GaAs. Ce processus, lui aussi, n'a jamais été divulgué en juin 2006.
Lectures complémentaires
Thèse de doctorat sur la DCO dans les lasers à diode haute puissance de 2013