치명적인 광학 손상

Catastrophic optical damage

치명적인 광학파손(COD) 또는 치명적인 광학거울파손(COMD)은 고출력 반도체 레이저의 고장 모드다.전력 밀도를 초과해 반도체 접합부에 과부하가 걸리고 생산된 광 에너지를 지나치게 많이 흡수해 레이저 면에 반도체 물질이 녹아 재분산되는 현상이 발생한다.이것을 흔히 구어적으로 "다이오드 불기"라고 한다.해당 부위는 격자 결점이 많아 성능에 부정적인 영향을 미친다.대상 부위가 충분히 큰 경우 광학 현미경으로 레이저 면의 어둡게 하거나 균열 및 홈이 있는 경우 관찰할 수 있다.그 손상은 1밀리초 이내에 하나의 레이저 펄스 내에서 발생할 수 있다.COD까지의 시간은 전력 밀도에 반비례한다.

치명적인 광학적 손상은 반도체 레이저의 성능을 높이는 제한 요인 중 하나이다.그것은 AlGaInP/AlGaAs 적색 레이저의 1차 고장 모드다.[1]

단파장 레이저는 장파장 레이저보다 COD에 더 취약하다.

공산품에서 COD의 일반적인 값은 12 ~ 20 MW/cm이다2.

원인과 메커니즘

빛이 방출되는 다이오드 레이저의 가장자리에는 전통적으로 반도체 웨이퍼를 쪼개 반사면을 형성하는 거울이 형성된다.이 접근방식은 III-V 반도체 결정(예: GaAs, InP, GaSb 등)에서 다른 평면에 비해 [110] 결정면의 약점으로 인해 촉진된다.웨이퍼 가장자리에서 생긴 긁힘과 약간의 굽힘으로 인해 거의 원자적으로 완벽한 거울과 같은 갈라진 평면이 형성되어 웨이퍼를 가로질러 직선으로 퍼지게 된다.

그러나 분할 평면의 원자 상태는 그 평면에서 완벽하게 주기적인 격자가 종료됨으로써 (결정 내의 그들의 대량 속성과 비교하여) 변경된다.절삭 평면의 표면 상태는 반도체의 (그렇지 않으면 금지된) 대역 간격 내에 에너지 수준을 가진다.

흡수된 빛은 전자 구멍 쌍의 생성을 유발한다.이는 산화 작용에 따른 결정 표면의 화학적 결합의 파괴 또는 비방사성 재조합에 의한 열 방출로 이어질 수 있다.산화된 표면은 레이저 광선의 흡수가 증가하여 레이저 광선의 분해 속도가 더욱 빨라지는 것을 보여준다.산화 작용은 알루미늄을 함유한 반도체 층의 경우 특히 문제가 있다.[2]

본질적으로, 빛이 갈라진 평면을 통해 전파되어 반도체 결정 내부에서 자유로운 공간을 위해 전이될 때, 빛 에너지의 일부분은 음소-전자 상호작용에 의해 열로 변환되는 표면 상태에 의해 흡수된다.이것은 갈라진 거울을 가열한다.또한, 전기적으로 펌프되는 다이오드 레이저의 가장자리가 열 제거 경로를 제공하는 마운트와 완벽하지 않은 접촉 상태에 있기 때문에 미러가 가열될 수 있다.거울의 발열로 인해 따뜻한 지역에서 반도체의 대역 간극이 줄어들게 된다.밴드 갭 축소는 더 많은 전자 대역 대 대역 전환이 광자에너지와 정렬되도록 하지만 더 많은 흡수를 유발한다.이는 긍정적인 피드백의 한 형태인 열가동이며, 그 결과는 치명적인 광학적 손상 또는 COD로 알려진 면의 용융이 될 수 있다.

노화와 환경 영향(물, 산소 등에 의한 영점)이 있는 레이저 면의 열화는 표면의 빛 흡수를 증가시키고 COD 문턱을 감소시킨다.COD로 인한 레이저의 갑작스런 치명적인 고장은 수천 시간의 사용 후 발생할 수 있다.[3]

개선사항

AlGaInP 레이저 구조에서 COD 임계값을 높이는 방법 중 하나는 황 처리로 레이저 면의 산화물을 찰코제네이드 안경으로 대체한다.[4]이것은 표면 상태의 재결합 속도를 감소시킨다.[2]

표면 상태의 재결합 속도 감소는 또한 초고진공에서 결정체를 분리하고 적절한 통과 층을 즉시 침전시킴으로써 달성될 수 있다.[2]

얇은 알루미늄 층이 표면 위로 침전되어 산소를 흡수할 수 있다.[2]

또 다른 접근방식은 표면의 도핑, 밴드 간극 증가, 래싱 파장 흡수 감소, 최대 수 나노미터의 흡수를 위로 이동이다.[2]

미러 영역 근처의 전류 혼잡은 미러 영역 근처에 충전 캐리어를 주입하는 것을 방지함으로써 피할 수 있다.이는 전극을 거울로부터 멀리 떨어뜨려 놓음으로써, 적어도 몇 개의 반송파 확산 거리를 확보한다.[2]

표면의 에너지 밀도는 광학 공동의 폭을 넓히는 도파관을 사용함으로써 감소할 수 있으므로 동일한 양의 에너지가 더 큰 영역을 통해 방출된다.이제 스트라이프 폭의 마이크로미터 당 100 mW에 해당하는 15–20 MW/cm의2 에너지 밀도를 달성할 수 있다.더 넓은 레이저 스트라이프는 더 높은 출력 전력, 횡방향 모드 진동 비용, 따라서 스펙트럼 및 공간 빔 품질 악화에 사용될 수 있다.[2]

1970년대에는 1µm에서 0.630µm 파장을 방출하는 GaAs 기반 레이저의 경우(1.3µm에서 2µm 사이의 장거리 통신에 사용되는 InP 기반 레이저의 경우 더 적음) 특히 쐐기 같은 이 문제가 확인되었다.뉴저지 주 프린스턴에 있는 RCA 연구소 데이비드 사노프 리서치 센터의 연구원이자 후에 부사장인 마이클 에텐버그가 해결책을 고안했다.얇은 층의 산화알루미늄이 면에 쌓였다.산화알루미늄 두께를 올바르게 선택하면 표면의 반사를 줄여주는 반반사 코팅의 기능을 한다.이것은 표면의 가열과 COD를 완화시켰다.

그 이후 여러 가지 개선책이 채용되었다.한 가지 접근방식은 소위 비흡수 미러(NAM)를 만드는 것인데, 이를 통해 갈라진 면으로부터 빛이 방출되기 전 최종 10µm 가량이 관심 파장에서 비흡수되도록 하는 것이다.그러한 레이저를 윈도우 레이저라고 부른다.

1990년대 초 SDL 주식회사는 신뢰성이 좋은 고출력 다이오드 레이저를 공급하기 시작했다.도널드 시프레스 CEO와 데이비드 웰치 CTO는 이 시대의 SPIE 포토닉스 웨스트 컨퍼런스와 같은 새로운 신뢰성 성능 데이터를 제시했다.SDL이 COD를 격퇴하기 위해 사용한 방법은 매우 독점적인 것으로 간주되어 2006년 6월 현재도 공개되지 않고 있다.

1990년대 중반 IBM Research(스위스 러쉬리콘)는 GaAs 기반 레이저에서 COD에 비상한 저항을 주는 이른바 'E2 프로세스'를 고안했다고 발표했다.이 과정 역시 2006년 6월 현재 공개된 적이 없다.

추가 읽기

2013년부터 고출력 다이오드 레이저의 COD에 관한 대학원 논문

참조

  1. ^ [1] 2006년 2월 13일 웨이백머신에 보관
  2. ^ a b c d e f g Roland Diehl (2000). High-power diode lasers: fundamentals, technology, applications. Springer. p. 195. ISBN 3-540-66693-1.
  3. ^ Dan Botez, Don R. Scifres (1994). Diode laser arrays. Cambridge University Press. p. 314. ISBN 0-521-41975-1.
  4. ^ Kamiyama, Satoshi; Mori, Yoshihiro; Takahashi, Yasuhito; Ohnaka, Kiyoshi (1991). "Improvement of catastrophic optical damage level of AlGaInP visible laser diodes". Applied Physics Letters. 58 (23): 2595. Bibcode:1991ApPhL..58.2595K. doi:10.1063/1.104833.