Daño óptico catastrófico

El daño óptico catastrófico ( COD , por sus siglas en inglés ), o daño catastrófico del espejo óptico ( COMD , por sus siglas en inglés), es un modo de fallo de los láseres semiconductores de alta potencia . Ocurre cuando la unión del semiconductor se sobrecarga al exceder su densidad de potencia y absorbe demasiada energía lumínica, lo que provoca la fusión y recristalización del material semiconductor en las facetas del láser. Esto se conoce comúnmente como "quemar el diodo". La zona afectada presenta numerosos defectos de red , lo que perjudica su rendimiento. Si la zona afectada es suficientemente grande, puede observarse con un microscopio óptico como un oscurecimiento de la faceta del láser o como la presencia de grietas y surcos. El daño puede producirse en un solo pulso láser, en menos de un milisegundo. El tiempo hasta el COD es inversamente proporcional a la densidad de potencia.

El daño óptico catastrófico es uno de los factores limitantes para aumentar el rendimiento de los láseres semiconductores. Es el modo de fallo principal para los láseres rojos de AlGaInP / AlGaAs . ^{[ 1 ]}

Los láseres de longitud de onda corta son más susceptibles a la COD que los de longitud de onda larga.

Los valores típicos de DQO en productos industriales oscilan entre 12 y 20 MW / ^cm² .

En el borde de un láser de diodo, donde se emite la luz, tradicionalmente se forma un espejo mediante la fractura de la oblea semiconductora para crear un plano de reflexión especular . Este método se ve facilitado por la debilidad del plano cristalográfico [ 110 ] en los cristales semiconductores III-V (como GaAs , InP , GaSb , etc.) en comparación con otros planos. Un arañazo realizado en el borde de la oblea y una ligera fuerza de flexión provocan la formación de un plano de fractura casi atómicamente perfecto, similar a un espejo, que se propaga en línea recta a través de la oblea.

Pero sucede que los estados atómicos en el plano de clivaje se ven alterados (en comparación con sus propiedades volumétricas dentro del cristal) por la terminación de la red perfectamente periódica en ese plano. Los estados superficiales en el plano de clivaje tienen niveles de energía dentro de la banda prohibida (de otro modo prohibida) del semiconductor.

La luz absorbida genera pares electrón-hueco. Estos pueden provocar la ruptura de enlaces químicos en la superficie del cristal, seguida de oxidación , o la liberación de calor por recombinación no radiativa . La superficie oxidada muestra entonces una mayor absorción de la luz láser, lo que acelera aún más su degradación. La oxidación es especialmente problemática para las capas semiconductoras que contienen aluminio. ^{[ 2 ]}

En esencia, cuando la luz se propaga a través del plano de clivaje y pasa al espacio libre desde el interior del cristal semiconductor, una fracción de la energía luminosa es absorbida por los estados superficiales, donde se convierte en calor mediante interacciones fonón - electrón . Esto calienta el espejo clivado. Además, el espejo puede calentarse simplemente porque el borde del láser de diodo —que se bombea eléctricamente— no está en contacto perfecto con el soporte que proporciona una vía para la disipación del calor. El calentamiento del espejo provoca que la banda prohibida del semiconductor se contraiga en las zonas más calientes. Esta contracción de la banda prohibida hace que más transiciones electrónicas de banda a banda se alineen con la energía del fotón, lo que provoca aún más absorción. Esto se conoce como descontrol térmico , una forma de retroalimentación positiva , y el resultado puede ser la fusión de la faceta, conocida como daño óptico catastrófico (DOC).

El deterioro de las facetas del láser debido al envejecimiento y a los efectos del medio ambiente (erosión por agua, oxígeno, etc.) aumenta la absorción de luz por la superficie y disminuye el umbral de DQO. Un fallo catastrófico repentino del láser debido a la DQO puede producirse entonces tras miles de horas de servicio. ^{[ 3 ]}

Uno de los métodos para aumentar el umbral de COD en estructuras láser de AlGaInP es el tratamiento con azufre , que reemplaza los óxidos en la faceta láser con vidrios de calcogenuro . ^{[ 4 ]} Esto disminuye la velocidad de recombinación de los estados superficiales. ^{[ 2 ]}

La reducción de la velocidad de recombinación de los estados superficiales también puede lograrse mediante la escisión de los cristales en ultra alto vacío y la deposición inmediata de una capa de pasivación adecuada. ^{[ 2 ]}

Se puede depositar una fina capa de aluminio sobre la superficie para eliminar el oxígeno. ^{[ 2 ]}

Otro enfoque es el dopaje de la superficie, aumentando la brecha de banda y disminuyendo la absorción de la longitud de onda láser, desplazando el máximo de absorción varios nanómetros hacia arriba. ^{[ 2 ]}

La concentración de corriente cerca del área del espejo puede evitarse impidiendo la inyección de portadores de carga cerca de la región del espejo. Esto se logra depositando los electrodos lejos del espejo, al menos a varias distancias de difusión de portadores. ^{[ 2 ]}

La densidad de energía en la superficie se puede reducir empleando una guía de onda que ensanche la cavidad óptica , de modo que la misma cantidad de energía salga a través de un área mayor. Ahora se pueden alcanzar densidades de energía de 15–20 MW/cm² ^{correspondientes} a 100  mW por micrómetro de ancho de franja. Se puede utilizar una franja láser más ancha para obtener una mayor potencia de salida, a costa de oscilaciones en modo transversal y, por lo tanto, un empeoramiento de la calidad espectral y espacial del haz. ^{[ 2 ]}

En la década de 1970, se identificó este problema, particularmente complejo para los láseres basados ​​en GaAs que emiten entre 1  μm y 0,630  μm de longitud de onda (menos para los láseres basados ​​en InP utilizados en telecomunicaciones de larga distancia, que emiten entre 1,3  μm y 2  μm). Michael Ettenberg, investigador y posteriormente vicepresidente del Centro de Investigación David Sarnoff de RCA Laboratories en Princeton, Nueva Jersey , ideó una solución. Se depositó una fina capa de óxido de aluminio en la faceta. Si el espesor del óxido de aluminio se elige correctamente, funciona como un recubrimiento antirreflectante , reduciendo la reflexión en la superficie. Esto mitigó el calentamiento y la descarga óptica en la faceta.

Desde entonces, se han empleado diversas mejoras. Un método consiste en crear un espejo no absorbente (NAM, por sus siglas en inglés) de manera que los últimos 10  μm, aproximadamente, antes de que la luz se emita desde la faceta de clivaje, no absorban la luz en la longitud de onda deseada. Estos láseres se denominan láseres de ventana .

A principios de la década de 1990, SDL, Inc. comenzó a suministrar láseres de diodo de alta potencia con buenas características de fiabilidad. El director ejecutivo, Donald Scifres, y el director de tecnología, David Welch, presentaron nuevos datos de rendimiento de fiabilidad en eventos como las conferencias SPIE Photonics West de la época. Los métodos utilizados por SDL para evitar la detección de diodos en serie (COD, por sus siglas en inglés) se consideraban altamente confidenciales y, a junio de 2006, aún no se habían divulgado públicamente.

A mediados de la década de 1990, IBM Research (Ruschlikon, Suiza ) anunció que había desarrollado su denominado "proceso E2", el cual confería una extraordinaria resistencia a la corrosión bajo tensión en láseres basados ​​en GaAs. Este proceso tampoco se ha divulgado hasta junio de 2006.

Tesis de posgrado sobre COD en láseres de diodo de alta potencia de 2013.