Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 2, стр. 255-260

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) с квантово-размерными гетероструктурами и мощностью непрерывной генерации от нескольких сотен милливатт до единиц ватт нашли широкое применение в разных областях науки и техники [1–5]. Важнейшим технико-экономическим параметром ЛД является срок службы. Именно поэтому разработке новых методик контроля состояния гетероструктуры ЛД и прогнозирования их срока службы, а также совершенствованию таких методик на протяжении нескольких десятилетий уделяется самое пристальное внимание.

Известны несколько методик контроля состояния мощных ЛД и прогнозирования их срока службы [6–10]. Чаще других используется классическая методика, основанная на измерении мощности излучения ЛД при постоянном значении тока накачки. Срок службы в этом случае определяется как время, через которое мощность падает до определенного, заранее установленного уровня. С измерениями мощности излучения ЛД связана и другая методика, когда время наработки определяется как время, через которое поддержание мощности на постоянном уровне путем увеличения тока накачки, становится невозможным [11].

Значительно реже для прогнозирования срока службы ЛД используются методика, основанная на временнóй зависимости диаграммы направленности [12], и методика, основанная на анализе временных зависимостей степени линейной поляризации излучения (контраста) [13].

Однако реализация перечисленных выше методик связана со значительным расходованием ресурса лазеров и необходимостью использования статистических методов обработки большого массива данных, полученных в результате диагностики партии приборов, изготовленных в том же технологическом цикле, что и исследуемые в настоящей работе.

Проблема определения качества отдельно взятого прибора электронной техники, каким, в частности, является активный элемент ЛД, стоит особенно остро при серийном производстве изделий [14].

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ МОЩНОГО ЛД ПО ЧИСЛУ КАНАЛОВ ГЕНЕРАЦИИ

Определенные шаги для решения этой проблемы были сделаны в работе [10] при тестировании партии мощных ЛД, изготовленных в едином технологическом цикле. При этом учитывалось, что ранее разработанная нами методика определения состояния гетероструктуры ЛД по его спектральной характеристике может быть использована только в том случае, если имеет место режим генерации на фундаментальной моде. Для мощных ЛД характерен сложный вид огибающей спектра излучения. Поэтому анализ этого спектра с целью определения состояния гетероструктуры ЛД проводился нами путем разложения его на составляющие.

На момент начала тестирования лазеров время наработки каждого прибора варьировалось от 270 до 310 ч. В течение 40–80 ч с начала тестирования контур линии f_эксп(ν), огибающей спектр излучения ЛД, можно было представить как суперпозицию трех контуров линий ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ с центральными частотами ν₀₁ < ν₀₂ < ν₀₃. Каждый контур соответствовал пространственному каналу генерации в активной области лазерного диода. Анализ расчетных функций ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ показал, что только в том случае, когда все три линии симметричны относительно частот ν₀₁, ν₀₂, ν₀₃, выполняется условие:

где N – число каналов генерации. В данном случае N = 3.

В процессе тестирования ЛД наблюдалось изменение формы спектральной линии ЛД ${{f}_{{{\text{эксп}}}}}\left( \nu \right),$ обусловленное увеличением числа каналов генерации с трех до четырех.

Такого рода изменения спектра излучения ЛД мы связываем с вариациями коэффициента нелинейной рефракции полупроводника квантовой ямы и одновременно длины когерентности излучения в каналах при наработке часов ЛД. Проведенные нами расчеты показали, что меньшее число каналов генерации соответствует большей степени когерентности излучения ЛД. а увеличение числа каналов N_кан означает, что длина когерентности L_ког излучения в каналах уменьшается [7]:

где n = 3.56 – эффективный показатель преломления лазерного волновода для фундаментальной латеральной моды, W = 100 мкм – ширина активной области, λ₀ – средняя длина волны излучения ЛД. В данной работе исследовался ЛД с измеренным значением λ₀ = 976 нм (средняя частота ν₀ = = 3.075 ∙ 10¹⁴ Гц).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СОСТОЯНИЯ СТРУКТУРЫ И ТЕМПА ДЕГРАДАЦИИ МОЩНЫХ ЛД МОДЕЛИ АТС-С200-100-980

Далее приводятся результаты исследований состояния структуры и темпа деградации ЛД модели АТС-С200-100-980 с драйвером LDD-10. Этот ЛД с контактом 100 мкм имел измеренное значение порогового тока накачки I_пор = 497 мА и штатное значение мощности излучения P = 500 мВт при двойном превышении порога. В качестве контролируемого параметра использовалась спектральная характеристики новой партии ЛД, изготовленных по той же технологии и имеющие ту же конструкцию, что и лазеры, исследованные в [10]. Важным фактором проведения исследований является то, что время наработки всех лазеров было известно точно и не превышало 10 ч. В первые несколько часов исследований у всех ЛД были зафиксированы только два канала генерации с центральными частотами ν₀₁ и ν₀₂. Согласно (2) это означает, что излучение ЛД в начальной стадии эксплуатации характеризуется большой длиной когерентности, которая огласно (2) составляла L_ког = 5.6 см.

Через 200–250 ч эксплуатации в ЛД возникал третий канал генерации, что означает снижение длины когерентности до величины равной L_ког = = 2.5 см. В [10] показано, что каждому каналу генерации с номером i в спектре излучения соответствует контур линии ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ с центральной частотой ${{{\nu }}_{{0i}}}$_. Поэтому появление третьего канала генерации приводит к тому, что контур линии f_эксп(ν), огибающей спектр излучения ЛД, представляет собой суперпозицию трех контуров линий ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ с центральными частотами ν₀₁ < ν₀₂ < ν₀₃.

Вид функции f_эксп(ν), а значит, и функций ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ зависит от тока накачки ЛД. Анализ расчетных функций ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ показывает, что все три линии симметричны относительно частот ν₀₁, ν₀₂ и ν₀₃ только при определенном значении тока накачки. И только при этом токе расчетные функции ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ хорошо аппроксимируются гауссовой функцией, как показано на рис. 1.

При увеличении наработки ЛД до 350 ч при токе накачки I = 940 мА, что составляет I = 1.89 · I_пор, в спектре излучения ЛД формируется четвертый канал генерации (рис. 2а). Согласно (2) это означает, что длина когерентности излучения ЛД продолжает уменьшаться до значения L_ког = 1.4 см. Увеличение числа нефазированных каналов приводит к соответствующему увеличению числа спектральных компонентов излучения ЛД. Это связано с тем, что полоса усиления имеет довольно большую (5 нм по длине волны и 1.6 ТГц по частоте) спектральную ширину и должна заполняться новыми полосами излучения, соответствующими разным каналам, вплоть до их существенного перекрытия. Ширина спектральной полосы отдельного канала при увеличении их количества также возрастает, что видно при сравнении рис. 2а и 2б.

Представление спектра излучения ЛД как суммы спектров излучения всех каналов генерации позволяет рассчитывать параметры качества A_i в пределах каждого канала ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ по той же методике, по которой рассчитывался параметр A одномодового лазера в [9, 15]. Так, численный анализ функций ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ осуществляется путем их сравнения с гауссовыми функциями ${{f}_{G}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ в пределах ширины i-ой линии ${\Delta }{{{\nu }}_{i}}.$ Для проведения такого анализа в пределах каждого канала генерации вводится параметр A_i, значение которого рассчитывается по формуле:

где ${{{\nu }}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}i{\text{\;max}}}}}$ и ${{{\nu }}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}i{\text{\;min}}}}}$ – частоты, которые определяются из условия:

и

где ${{{\nu }}_{{0i}}}$ – центральная частота i-го спектрального диапазона частот $~{\Delta }{{{\nu }}_{i}},$ в котором сравниваются гауссова функция ${{f}_{G}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ и функция ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right).$

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

Нормированная гауссова функция имеет вид:

Из (3) и (5) следует, что значение параметра A_i стремится к единице, когда функция ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right),$ может быть хорошо аппроксимирована гауссовой функцией (7).

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 A_i.

Особенностью проводимых в рамках настоящей работы исследований является то, что линии, огибающие спектр излучения ЛД, с центральными частотами ${{{\nu }}_{{0i}}}$ анализируются при фиксированных значениях времени наработки лазера в широком диапазоне значений его тока накачки: от 940 до 980 мА. Выбор этого диапазона обусловлен тем, что в его границах наблюдается значительная трансформация спектра излучения ЛД.

При 350 ч наработки и токе накачки 940 мА наблюдаются 4 канала генерации, а при токе накачки 980 мА – уже 5 каналов (рис. 2б). Появление 5-го канала генерации приводит к тому, что часть энергии излучения, ранее перераспределявшаяся между четырьмя каналами генерации, переходит в пятый канал с центральной частотой ${{\nu }_{{05}}},$ что и объясняет картину трансформации спектра излучения. На рис. 1 изображен контур первой линии генерации при токе накачки ЛД 940 мА с центральной частотой $3.072 \cdot {{10}^{{14}}}\,\,{\text{Гц}}.$ Видно, что кривая ${{f}_{{{\text{расч}}.1}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{01}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{1}}}}} \right)$ практически полностью совпадает с функцией ${{f}_{G}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{01}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{1}}}}} \right).$ Аналогичная картина наблюдается во всех четырех контурах генерации на рис. 2а. Из этого следует, что ток накачки ЛД 940 мА является оптимальным, а дальнейшие наблюдения за процессом его медленной деградации нужно проводить, поддерживая ток на этом уровне.

Численный анализ функций ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ при значениях i = 1, 2, 3 и 4, то есть во всех четырех каналах генерации показывает, что соответствующие значения A_i лежат в интервале от 0.93 до 0.95. Из этого следует, что режим генерация излучения в каждом канале близок к одномодовому, а многомодовый пучок излучения формально можно представить как одновременную генерацию несфазированных одномодовых пучков. Из теории дифракции следует, что по мере увеличения числа каналов генерации (уменьшении поперечных размеров каждого канала) должна возрастать степень дефазировки отдельных областей лазерного излучения внутри резонатора ЛД, что есть следствие уменьшения длины когерентности излучения в каждом канале ЛД. Таким образом, в качестве критерия деградации конкретного лазера целесообразно использовать наблюдаемое число каналов генерации, о котором можно судить по числу линий в измеренном спектре излучения ЛД.

Порядок проведения количественного анализа функции ${{f}_{{{\text{эксп}}}}}\left( {\nu } \right)$ является общим для всех мощных ЛД, рассмотриваемых в настоящей работе, и поэтому подробно рассмотрен на примере лазерного диода АТС-С200-100-980 с драйвером LDD-10.

Особый интерес представляют результаты количественного анализа функции ${{f}_{{{\text{эксп}}}}}\left( {\nu } \right),$ описывающей форму линии, огибающей спектр излучения лазеров модели KLM-H980-200-5 с мощностью излучения 200 мВт. Для этой модификации ЛД установлено, что уже в первые часы их работы наблюдались три канала генерации. Согласно проведенным в настоящей работе исследованиям, это говорит о низкой когерентности излучения и, как следствие, об изначально низком качестве гетероструктур лазеров модели KLM-H980-200-5. Для этих приборов был проведен численный анализ функций ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ при значениях i = 1, 2 и 3, то есть во всех трех каналах генерации. Он осуществлялся путем ее сравнения с гауссовой функцией ${{f}_{G}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ в пределах ширины i-ой линии ${\Delta }{{{\nu }}_{i}}$ с использованием формул (3)–(7). Анализ показал, что ни одна из кривых ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ не была симметричной относительно соответствующих центральных частот каналов, которые рассчитывались по формуле (6). В такой ситуации было принято решение за оптимальное значение тока накачки принимать то, при котором асимметрия кривых ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ минимальна.

Следует отметить, что из-за асимметрии кривых ${{f}_{{{\text{расч}}.i}}}\left( {\frac{{{\nu } - {{{\nu }}_{{0i}}}}}{{{\Delta }{{{\nu }}_{i}}}}} \right)$ разложение спектра излучения на его компоненты значительно усложнилось и потребовалось проведение дополнительных итераций для выполнения условия (1). Кривые имели достаточно сложный вид, что и обусловило даже при оптимальном токе накачки малые значения параметров A_i. Характерные значения этих параметров варьировались от 0.82 до 0.86. Срок службы ЛД модели KLM-H980-200-5 определялся по методике, изложенной в [10]. При этом в расчетной формуле за значение параметра А принималось минимальное значение из четырех рассчитанных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что в качестве параметра, по которому можно определить состояние и скорость деградации ЛД с определенным временем наработки, следует использовать количество и качество спектров каналов генерации излучения. Показано, что увеличение числа каналов генерации обусловлено уменьшением длины когерентности излучения ЛД, что служит явным признаком деградации лазера.

Темп деградации возрастает при увеличении тока накачки. Это подтверждается возгоранием дополнительного канала генерации ЛД при фиксированном времени его наработки. Разработан алгоритм определения оптимального значения тока накачки. При его разработке учитывалось, что спектр излучения ЛД представляет собой суперпозицию 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 гауссовой функции. Если все значения параметра А_i близки к единице, то это свидетельствует о высоком качестве гетероструктуры ЛД.