Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 6, стр. 47-52

ВВЕДЕНИЕ

Современные мощные лазерные диоды – коммерчески востребованный продукт, они широко применяются в системах телекоммуникаций, для обработки материалов, накачки активных сред твердотельных лазеров, в научных исследованиях [1, 2]. Как правило, предъявляются высокие требования к основным эксплуатационным характеристикам этих полупроводниковых приборов: мощности излучения, коэффициенту электрооптического преобразования, ресурсу работы. Ресурс работы современных лазерных диодов и линеек лазерных диодов квазинепрерывного режима генерации обычно составляет свыше 10⁹ импульсов, что для типовых значений частоты импульсов тока инжекции эквивалентно 12–15 тыс. часов непрерывной работы [1, 3, 4]. Для повышения эксплуатационных характеристик мощных лазерных диодов как в России, так и за рубежом ведутся работы по модернизации конструкций активного элемента и технологических процессов их изготовления.

Известно, что явление катастрофической оптической деградации полупрозрачного зеркала лазерного резонатора ограничивает предельное значение оптической мощности излучения лазерных диодов квазинепрерывного режима генерации и снижает ресурс их работы [2, 5, 6]. Существующие методы анализа катастрофической оптической деградации либо разрушающие, либо характеризуются значительной погрешностью прогнозирования момента наступления этого явления [2]. Неоднородность распределения интенсивности ближнего поля излучения в направлении, параллельном эпитаксиальным слоям диода, может свидетельствовать о приближении момента выхода лазерного диода из строя [7–9]. В [7] для оценки предельного значения тока инжекции одиночных лазерных диодов с длиной волны излучения 940 нм было предложено использовать параметр количественной оценки неоднородности этого распределения, названный “пиковой плотностью мощности излучения” и показывающий как наличие, так и преобладание в распределении локального экстремума. Наличие экстремума свидетельствует о локальном увеличении плотности мощности излучения, и, как следствие, температуры материала. Локальный рост температуры, в свою очередь, является основным катализатором запуска процесса катастрофической оптической деградации: для ее возникновения приповерхностная область передней грани лазерного диода должна достигнуть температуры 100–150°С [2, 10, 12, 13].

Практический интерес представляет оценка предельных характеристик линейки лазерных диодов – одномерного массива лазерных диодов, включенных в цепь параллельно и формирующих интегральную схему. Использование лишь одного параметра для такой оценки может давать некорректные результаты из-за влияния друг на друга отдельных лазерных диодов в составе линейки, а также из-за неравенства условий теплоотведения между крайними и центральными диодами [5, 14]. Создание новой системы параметров позволило проводить вероятностную оценку предельных эксплуатационных параметров отдельных лазерных диодов в составе линейки на основании данных распределений интенсивности ближнего поля излучения в направлении, параллельном эпитаксиальным слоям диода.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Ближнее поле излучения линейки лазерных диодов регистрировали на лабораторном стенде, обеспечивающего поддержание установленной температуры основания линейки лазерных диодов с погрешностью ±1°С и регистрацию распределения интенсивности в прямоугольной области размером 7.0 × 0.01 мм. Особенностью примененной в составе стенда промышленной телевизионной камеры с монохромной светочувствительной матрицей является малое время экспозиции, что позволяет регистрировать распределение интенсивности в пределах действия импульса тока инжекции длительностью около 200 мкс.

Исследуемые образцы линейки лазерных диодов были изготовлены на основе системы материалов AlGaAs/GaAs с квантово-размерной активной областью и длиной волны излучения 808 нм. В состав линейки входили 19 лазерных диодов. Монтаж линейки на медный теплоотвод был выполнен с помощью тугоплавкого припоя AuSn и термокомпенсатора CuW.

Импульсы тока инжекции линейки лазерных диодов формировались генератором “СВЕТИНФО-И” [15]. Светочувствительная матрица телевизионной камеры, снабженная объективом, была установлена перед излучающей поверхностью линейки лазерных диодов на расстоянии 50 мм. Синхронизацию моментов регистрации излучения и формирования импульсов тока инжекции обеспечивал оптический триггер. Разработанное программное обеспечение позволяло задавать границы и шаг тока инжекции.

Сценарий эксперимента был следующим: после установления теплового равновесия на линейку лазерных диодов подавали импульсы тока инжекции и регистрировали распределение интенсивности лазерного излучения I_LD. Амплитуда импульсов тока инжекции увеличивалась, начиная с порогового значения до деградации последнего лазерного диода в составе линейки, после чего поверхность ее передней грани анализировали на предмет наличия катастрофической оптической деградации с применением оптического микроскопа с 200-кратным увеличением.

Перед каждым повышением тока проверяли достижение теплового баланса между термостабилизатором и медным основанием линейки лазерных диодов. При длительности импульсов тока 200 мкс, частоте их следования 20 Гц и увеличении тока инжекции на 1 А тепловой баланс достигался не позднее, чем после десятого импульса тока.

Для количественной оценки неоднородности распределения интенсивности были использованы следующие параметры (рис. 1): пиковая плотность интенсивности I_PEAK [7], являющаяся отношением интегральной интенсивности лазерного диода к площади его излучающей области и учитывающая наличие локального экстремума интенсивности; отношение I_MAX-to-MEAN максимальной интенсивности I_MAX к среднему значению I_MEAN в распределении; среднеквадратичное отклонение интенсивности излучения I_STD.

Рис. 1.

Распределение интенсивности излучения в ближнем поле лазерного диода I_LD в зависимости от расстояния от начала линейки x. Цифрами обозначены среднее I_MEAN (1) и максимальное I_MAX (2) значения интенсивности.

Для учета неравенства условий теплоотведения центральных и краевых лазерных диодов [13, 16] было предложено считать краевыми три лазерных диода с каждой стороны линейки. Для проведения эксперимента использовали идентичные образцы линейки лазерных диодов, обозначенные как “А-1” и “А-2”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При осмотре образцов линейки лазерных диодов после деградации под микроскопом на передней грани большинства диодов (у 35 из 38 диодов двух образцов соответственно) были обнаружены темные пятна в области эпитаксиальных слоев, свидетельствующие о катастрофической оптической деградации [4, 9, 17] (рис. 2а). Расположение темных пятен совпадает с пространственными положениями максимальных интенсивностей излучения в ближнем поле отдельных лазерных диодов, входящих в линейку (рис. 3).

Рис. 2.

Изображения основных дефектов на поверхности передней грани лазерного диода: признак катастрофической оптической деградации (а); загрязнение на поверхности (б).

Рис. 3.

Зарегистрированные в ближнем поле плоскости слоев диода пространственные распределения интенсивностей излучения отдельных лазерных диодов, входящих в линейку. Центры областей катастрофической оптической деградации на передней грани лазерного диода изображены линиями черного цвета.

Также на некоторых лазерных диодах были обнаружены загрязнения, возникшие, предположительно, при транспортировке и монтаже образцов (рис. 2б). Заметим, что наличие даже небольших загрязнений на поверхности передней грани в окрестности активной области может приводить к локальному увеличению температуры и снижению предельного тока инжекции лазерного диода.

Для выполнения сравнительного анализа образцов интегральные интенсивности были нормированы на максимальное значение интенсивности излучения, достигнутое в ходе эксперимента (рис. 4). Символами “×” обозначены величины тока инжекции, при которых наблюдались признаки деградации лазерного диода. Большая часть таких событий происходит при токе инжекции, превышающем рабочее значение (I_WP = 30 А) не менее чем в два раза.

Рис. 4.

Нормированные зависимости интегральной интенсивности I излучения образцов А-1 (1) и А-2 (2) линеек лазерных диодов от тока инжекции. Символами “×” обозначены величины тока инжекции, при которых зарегистрирована деградация отдельных лазерных диодов.

Как правило, критерием отказа линейки лазерных диодов считается снижение оптической мощности излучения на 20% при постоянном уровне тока инжекции [4, 18, 19]. Для исследованных линеек это эквивалентно выходу из строя трех–четырех лазерных диодов. Чтобы установить предельную величину тока инжекции, не приводящую к деградации такого числа лазерных диодов, необходимо выявить отличия ватт-амперных характеристик в их ближнем поле.

Параметры неоднородности излучения в ближнем поле были оценены на линейном участке ватт-амперной характеристики от значения 10 A до удвоенного рабочего тока 60 А. Все лазерные диоды делили на три группы по полученным значениям параметров I_PEAK и I_STD. Дополнительно отмечали те лазерные диоды, у которых параметр I_MAX-to-MEAN превышал среднее значение, полученное для всех лазерных диодов одной линейки, и среднеквадратичное отклонение этого параметра.

Для всех лазерных диодов каждого образца были определены совокупности параметров неоднородности распределения интенсивности излучения в ближнем поле. В табл. 1 представлены параметры тех лазерных диодов, которые деградировали раньше других и стали причиной отказа всей линейки (в соответствии с указанным выше критерием).

Лазерные диоды, отмеченные по параметру I_MAX-to-MEAN совместно с высоким значением I_STD и средними показателями I_PEAK, подвержены ранней деградации с вероятностью Р_ED, которая составляет 100% для основных лазерных диодов и 66% для краевых. Для краевых лазерных диодов, не выделенных по значению параметра I_MAX-to-MEAN, потенциальным признаком ранней деградации можно считать низкие значения I_PEAK и I_STD. Вероятность Р_ED для этих лазерных диодов составила 25%.

Дополнительное внимание следует уделять основным лазерным диодам, обладающим одинаковыми средними значениями I_PEAK и I_STD, одинаковыми высокими значениями I_PEAK и I_STD и выделяющихся величиной параметра I_MAX-to-MEAN. Вероятность правильного определения лазерных диодов, у которых возникала катастрофическая оптическая деградация, составила 33 и 25% соответственно.

Заметим, что образование в процессе катастрофической оптической деградации шунтирующего электропроводящего канала [18] может снижать ток инжекции, протекающий в соседних лазерных диодах и, как следствие, увеличивать их предельный ток инжекции. Данный эффект в ряде случаев оказывает негативное влияние на вероятность определения лазерных диодов с низким предельным током инжекции при одинаковых параметрах двух или трех соседних лазерных диодов.

Таким образом, анализ интенсивностей излучения в ближнем поле лазерных диодов на рабочем участке ватт-амперной характеристики позволяет формировать систему количественных оценок параметров работы диодов, в результате становится возможным прогнозирование ранней деградации отдельно взятых лазерных диодов линейки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально доказано, что предложенные совокупности рабочих параметров формируют количественную оценку, связанную с характером распределения интенсивности излучения в ближнем поле лазерного диода в направлении, параллельном эпитаксиальным слоям, на основании которой можно предсказывать предельный ток инжекции, соответствующий моменту деградации этого лазерного диода, с вероятностью от 20 до 100%.

Описанная система параметров может стать основой метода получения неразрушающей вероятностной оценки предельных характеристик и ресурса работы отдельных лазерных диодов, линеек и решеток лазерных диодов квазинепрерывного режима генерации.