Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 2, стр. 225-228

ВВЕДЕНИЕ

Мощные полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) с гетероструктурами квантовых размеров широко используются в разных областях науки, техники и медицины. К таким лазерам принято относить ЛД с мощностью непрерывной генерации от нескольких сотен милливатт до 20 Вт – максимального значения мощности, достигнутой в настоящее время [1–5]. Исследования показывают, что срок службы ЛД мощностью 0.5–2 Вт не превышает 5000 ч [6]. Известны несколько методик прогнозирования срока службы мощных ЛД [1, 5, 7]. Однако их использование связано со значительным расходованием ресурса лазеров, применением дорогостоящей контрольно-измерительной аппаратуры и прерыванием работы ЛД. В связи с этим актуальной становится задача прогнозирования срока службы мощных ЛД не только за малое время, но и на начальном этапе их работы.

В процессе тестирования партии ЛД, изготовленных в 2012 г., нами наблюдалась трансформация их спектра излучения [7, 8]. Она проявлялась в переходе от трех ярко выраженных контуров линий, огибающих спектр излучения ЛД и соответствующих трем пространственным каналам генерации в активной области лазерного диода, к четырем линиям, то есть к переходу генерации в четырех каналах.

Изменения в спектре излучения ЛД мы связываем с пространственными вариациями, которые касаются коэффициента нелинейной рефракции полупроводника квантовой ямы и длины когерентности излучения ЛД. Проведённые нами расчеты показали, что меньшее число каналов генерации соответствует большей степени когерентности излучения ЛД, а уменьшение длины когерентности L_ког приводит к увеличению числа каналов N_кан [7]:

где n – эффективный показатель преломления лазерного волновода, W – ширина активной области, λ – длина волны излучения.

В данной работе приведены результаты исследований спектральной характеристики партии ЛД, изготовленной в 2017 г. Они имеют ту же конструкцию, что и ЛД из предыдущей партии. В первые несколько часов их эксплуатации были зафиксированы только два канала генерации с центральными частотами ${{\nu }_{{01}}}$ и ${{\nu }_{{02}}}.$ В соответствии с (1) это позволяет заключить, что длина когерентности ЛД из новой партии приборов больше, чем у ЛД из предыдущей партии, когда наблюдались три контура.

Через 240 ч эксплуатации в спектре ЛД ${{f}_{{{\text{эксп}}}}}(\nu )$ возникли три канала генерации ${{f}_{{{\text{расч}}{\text{.}}i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right),$ каждому из которых соответствовала линия, огибающая спектр излучения с центральной частотой ${{\nu }_{{01}}}$ < ${{\nu }_{{02}}}$ < ${{\nu }_{{03}}}.$ Анализ функций ${{f}_{{{\text{расч}}{\text{.}}i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right),$ показал, что все три линии симметричны относительно частот ${{\nu }_{{01}}},$ ${{\nu }_{{02}}},$ ${{\nu }_{{03}}},$ а в тех областях спектра, где происходит их наложение, выполняется условие:

где N – число каналов генерации.

После увеличения наработки ЛД до 350 ч в спектре излучения ЛД возникают 4–5 каналов генерации (рис. 1а, 1б). Согласно (1) это означает, что длина когерентности уменьшается.

Увеличение числа каналов приводит к увеличению числа полос в спектрах. Это объясняется тем, что контур усиления имеет довольно большую ширину (около 6 нм по длине волны) и должен быть заполнен линиями излучения, соответствующими разным каналам.

Для прогнозирования срока службы мощного ЛД предлагается использовать ранее разработанную методику связи срока службы со значением параметра А_i [9] в каждом канале генерации отдельно.

Для количественного анализа функций ${{f}_{{{\text{расч}}{\text{.}}i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right)$ их сравнивали с гауссовой функцией ${{f}_{G}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right)$ в пределах ширины i-ой линии $\Delta {{\nu }_{i}}.$ Для проведения такого анализа в пределах каждого канала генерации был введен интегральный спектральный параметр A_i, значение которого рассчитывал по формуле:

где ${{\nu }_{{\frac{1}{2}min}}}$ и ${{\nu }_{{\frac{1}{2}max}}}$ – частоты, которые определялись из условия: где ${{\nu }_{{0i}}}$ – центральная частота i-го диапазона частот ${{\nu }_{i}},$ в котором сравнивались гауссова функция ${{f}_{G}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right)$ и функция ${{f}_{{{\text{расч}}{\text{.}}\,i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right).$

Значение частоты ${{\nu }_{{0i}}}$ определялось по формуле:

а нормированная гауссова функция имела следующий вид:

Из (3) и (5) следует, что значение параметра A_i стремится к единице, когда функцию ${{f}_{{{\text{расч}}.\,i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right)$ можно аппроксимировать гауссовой функцией. Методика расчета параметра A_i в разных каналах генерации универсальна, однако вид функции ${{f}_{{{\text{расч}}{\text{.}}\,i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right)$ зависит от тока накачки. Так, на рис. 2 видно, что форма кривой ${{f}_{{emp}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{0}}}}{{\Delta \nu }}} \right),$ описывающей линию, огибающую спектр излучения ЛД, заметно изменяется при увеличении тока накачки от 940 до 980 мА.

При возрастании количества каналов генерации увеличивается и число анализируемых по формулам (3)–(7) функций ${{f}_{{{\text{расч}}.\,i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right),$ что, впрочем, не нарушает критерия определения срока службы ЛД по параметру А.

При определении срока службы ЛД из партии приборов, изготовленных групповым методом в одном и том технологическом цикле, установлено, что он может варьироваться в пределах от 2500 до 3500 ч. Поэтому для определения качества каждого экземпляра ЛД из той или иной партии приборов наряду с параметром А использовался параметр T:

где τ – срок службы конкретного экземпляра ЛД из определенной партии приборов в масштабе реального времени; τ_max – максимальное время наработки некоторого ЛД из той же партии приборов.

Также экспериментально установлено (рис. 1), что параметры Т и А при A > 0.855, т.е. в режиме генерации лазерного диода на фундаментальной моде, связаны между собой следующим соотношением:

Особенностью проводимых в рамках настоящей работы исследований является то, что линии, огибающие спектр излучения ЛД, с центральными частотами ν_0i анализируются в широком диапазоне значений тока накачки: от 940 до 980 мА. Выбор этого диапазона обусловлен тем, что в его границах наблюдается значительная трансформация спектра излучения ЛД.

На рис. 2 приведены спектральные линии излучения при двух характерных значениях тока накачки: 940 и 980 мА. При токе накачки 940 мА наблюдаются 4 канала генерации, а при токе накачки 980 мА – 5 каналов. Появление 5-го канала генерации приводит к тому, что часть энергии излучения, ранее перераспределявшаяся между 4-мя каналами генерации, переходит в пятый канал с самым большим значением ${{\nu }_{{0i = 5}}},$ что и объясняет картину трансформации спектра излучения. На рис. 3 в качестве примера определения коэффициента A_i изображен контур линии с центральной частотой 3.072 ∙ 10¹⁴ Гц при токах накачки ЛД 940 и 980 мА.

Анализ функций ${{f}_{{{\text{расч}}{\text{.}}\,i}}}\left( {\frac{{\nu - {{\nu }_{{0i}}}}}{{\Delta {{\nu }_{i}}}}} \right)$ показал, что они близки к гауссовой функции, а значения A_i лежат в интервале от 0.89 до 0.95. Согласно (9) параметр Т при этом изменяется от 0.962 до 0.983. Принимая во внимание, что значение τ_max в партии ЛД, к которой относится и рассматриваемый прибор, равно 3450 ч, можно предположить, что его срок службы должен быть близок к 3390 ч. В настоящее время ЛД проходят ускоренные испытания с целью определения реального срока службы мощного ЛД, который исследовался в данной работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрен метод прогнозирования срока службы мощных лазерных диодов путем измерений спектра излучения в первые часы их эксплуатации. Спектр излучения представляет собой суперпозицию нескольких спектров излучения отельных каналов генерации. Анализ спектра излучения в каждом канале генерации позволяет определить значение параметра А_i, характеризующего отличие контура линии, огибающей спектр излучения в канале, от гауссова распределения. По найденным значениям параметра А_i можно прогнозировать срок службы мощных диодных лазеров.