Катастрофическая оптическая деградация в мощных поперечно-одномодовых полупроводниковых лазерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



На правах рукописи УДК 535.374:621.375.8

Мифтахутдинов Дмитрий Раисович

Катастрофическая оптическая деградация в мощных поперечно-одномодовых полупроводниковых лазерах

Специальность: 01.04.21 — лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2010

- 2 Ш 2010

004615059

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук «Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Богатов Александр Петрович (ФИАН)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Засавицкий Иван Иванович (ФИАН)

кандидат физико-математических наук,

Коняев Вадим Павлович

(НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"»

Защита состоится " (> " ?гис Др ^ 2010 года в ¡1 часов на заседании диссертационного совета Д 002.023.03 в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) по адресу: Москва, Ленинский просп., 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН. Автореферат разослан «а Л сЬ-Х 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

Шиканов А. С.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Современные полупроводниковые лазеры являются примером наукоемкого и высокотехнологичного продукта, находящего свое применение в самых различных областях: в системах открытой и волоконной оптической связи, в качестве оптической накачки других типов лазеров, в оптических устройствах хранения информации, в системах оптической локации.

Основной проблемой, стоящей на пути дальнейшего увеличения мощности полупроводниковых лазеров, является не столько само увеличение мощности, сколько сохранение при этом приемлемого срока службы. Основным фактором, вызывающим сокращение срока службы мощных полупроводниковых лазеров, является катастрофическая оптическая деградация (КОД). Это явление заключается в практически мгновенном нарастании температуры в небольшой области лазера (обычно вблизи выходной грани) до температуры плавления и дальнейшем разрушении такой области.

В широких лазерах КОД происходит постепенно: сначала разрушается небольшой участок выходной грани, где максимальна оптическая мощность или имеется какой-либо дефект; затем, после перераспределения оптического поля может разрушиться новый участок. При этом весь процесс деградации может состоять из целого ряда отдельных актов, существенно разнесенных во времени. Для поперечно-одномодовых лазеров, ширина активной области которых не превышает нескольких микрометров, явление КОД происходит в наиболее чистом виде (в виде однократного резкого падения мощности), чем и объясняется выбор таких лазеров в качестве объекта исследований.

Само по себе явление КОД известно практически с самого момента создания полупроводниковых лазеров и было исследовано в множестве как экспериментальных, так и теоретических работ. Однако до настоящего момента нет полного понимания этого процесса; по-прежнему КОД является объектом множества исследований. Важное место среди этих исследований занимает моделирование КОД. Практически во всех современных теоретических

рассмотрениях явление КОД представляется как процесс с положительной обратной связью. Схема возникновения такой обратной связи показана на рисунке 1.

Помимо положительной обратной связи существует и отрицательная обратная связь, которую создает уменьшение лазерной мощности с разогревом. Это обстоятельство делает необходимым самосогласованное рассмотрение лазерных и тепловых соотношений при моделировании КОД. В случае, когда отрицательная обратная связь преобладает над положительной, наблюдается снижение выходной мощности с ростом тока накачки (явление, носящее в англоязычной литературе название «rollover»). Если же положительная обратная связь в достаточной степени возобладает над отрицательной, возникнет неустойчивость, приводящая к моментальному возрастанию температуры и разрушению лазера - то есть, к КОД. Такой взгляд на явление КОД в настоящее время принят в большинстве работ, однако существует неясность относительно играющих роль в процессе КОД механизмов разогрева, величины их вклада в этот процесс и корректного их рассмотрения.

Рис. 1: Возникновение положительной обратной связи, приводящей к КОД

Цель работы

Целью настоящей работы являлось экспериментальное изучение динамики процесса КОД мощных полупроводниковых лазеров с различным характером обработки выходной грани после скола, а также численное моделирование разогрева приповерхностной области лазера в стационарной задаче,

нахождение критической мощности КОД и моделирование динамики разогрева для мощностей, превышающих критический уровень.

Научная новизна

1. Разработана оригинальная методика экспериментального исследования явления КОД в мощных поперечно-одномодовых полупроводниковых лазерах, включающая в себя измерение временной зависимости выходной мощности лазера в процессе развития КОД. Показано, что время падения выходной мощности от критического значения до значения, в несколького раз меньшего (после чего скорость падения резко замедляется) составиляет от 50 не до сотен наносекунд, причем наибольшее время соответствует наиболее защищенной выходной грани.

2. Показано, что явление КОД может сопровождаться возникновением шунтирующего канала с сопротивлением не более величины порядка Ом. Время от начала падения выходной мощности до возникновения такого канала может составлять от практически мгновенного (менее 100 не) до превышающего, по меньшей мере, несколько мкс. Шунтирующий канал может возникать и в тех случаях, когда выходная грань претерпевшего КОД лазера не несет видимых следов разрушения.

3. Разработана физическая модель процесса КОД в мощных поперечно-одномодовых полупроводниковых лазерах, наиболее полно в сравнении с предыдущими моделями включающая в себя как применяемые для увеличения порога КОД конструктивные особенности резонатора лазера, так и механизмы разогрева области вблизи выходного зеркала. В частности, впервые в модель включено поглощение излучения в широкозонных (ширина запрещенной зоны больше энергии кванта лазерного излучения) обкладочных слоях. Также впервые в модели показано возникновение взаимосвязи между явлениями медленной и катастрофической деградации, связанной в диффузией приповерхностных дефектов вглубь резонатора лазера в процессе медленной деградации, что приво-

дит к снижению порога КОД. Модель позволяет определить следующие физические величины:

• температуру внутри резонатора лазера (в частности, на поверхности выходного зеркала или его защитного покрытия) при разных значениях постоянного тока накачки;

• ватт-амперную характеристику лазера при постоянном токе накачки;

• уровень выходной мощности лазера, при котором наступает КОД;

• скорость разогрева приповерхностной области лазера при импульсном режиме накачки.

Благодаря этому с помощью сравнения расчетных значений температуры выходной грани и ватт-амперной характеристики с экспериментально измеренными для конкретного образца во время его наработки, можно сделать выводы о процессе медленной деградации лазера и спрогнозировать срок службы лазера до наступления КОД. Также можно сделать прогноз относительно надежности работы лазера в импульсном режиме.

4. С помощью разработанной физической модели проведено изучение вклада различных физических процессов в разогрев приповерхностной области лазера вблизи выходной грани. Показано, что токовое ограничение увеличивает критическую мощность КОД лишь незначительно (на величину порядка ~10%). Также рассчитаны пороги «включения» различных процессов тепловыделения (то есть значения, начиная с которых данный процесс оказывает существенное влияние на порог КОД). Показано, что скорость нарастания температуры во время КОД составляет порядка ~50 К/нс.

Практическая значимость работы

• Создано программное обеспечение, позволяющее производить расчеты в рамках разработанной модели КОД. С его помощью возможно про-

ведение расчетов поля температур в резонаторе мощного ноперечпо-одномодового лазера (в частности, на поверхности выходного зеркала или его защитного покрытия) и ватт-амперной характеристики.

• Намечены пути оптимизации мощных полупроводниковых лазеров относительно явления КОД: разработанная модель позволяет указать пороги «включения» разных механизмов, приводящих к разогреву выходной грани лазера, что позволяет найти те пределы, за которыми дальнейшее улучшение той или иной характеристики уже не приводит к улучшению лазера в целом.

• Намечены пути создания методик прогнозирования срока службы мощных полупроводниковых лазеров с помощью ускоренных тестов наработки путем сравнения наблюдаемых и моделируемых ватт-амперных характеристик и температуры выходной грани. С помощью такого сравнения могут быть определены значения используемых в модели параметров и спрогнозировано дальнейшее их изменение и падение пороговой мощности КОД.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на 6-ом Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы па их основе» (4-8 июня 2007 г., Минск, Беларусь), семинарах отдела оптоэлектроники ОКРФ ФИАН и 3-ей Всероссийской молодежной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (25-30 октября 2009 г., Троицк-Москва, Россия).

Положения, выносимые на защиту

1. Развитая в настоящей работе методика экспериментальных исследований процесса КОД позволяет измерять зависимость выходной мощности полупроводникового лазера от времени с временным разрешением, достаточным для регистрации особенностей динамики КОД. Результатом

применения методики являются данные в цифровой форме, удобной для последующей обработки.

2. Следствием процесса КОД является возникновение шунтирующего канала. Интервал времени между началом падения выходной мощности (возникновением КОД) и созданием шунтирующего канала составляет от 100 не до величины, превышающей несколько микросекунд. Сопротивление такого канала не превышает значения порядка ~1 Ом. Шунтирующий канал может возникать и в том случае, когда поверхность выходной грани претерпевшего КОД лазера не имеет видимых повреждений.

3. Разработанная в диссертации модель КОД поперечно-одномодовых полупроводниковых лазеров наиболее полно в сравнении с предыдущими работами учитывает как механизмы разогрева, так и конструктивные особенности резонатора и позволяет рассчитывать профили температуры внутри резонатора лазера, его ватт-амперную характеристику и критическую мощность КОД. Развитая методика расчетов в рамках разработанной модели позволяет производить расчеты с необходимой точностью без использования значительных вычислительных ресурсов.

4. В зависимости от значений параметров модели температура в наиболее разогретой области вблизи КОД составляет порядка 250-500°С, а размер этой области (по полувысоте распределения температуры) составляет примерно 1хЗх1мкм по осям х (перпендикулярно слоям), у (в плоскости слоев перпендикулярно оси лазера) и г (вдоль оси лазера) соответственно. Разогрев области вблизи выходной грани до точки плавления при импульсной накачке происходит за время от ~15 не (для пятикратного превышения выходной мощности над порогом КОД непрерывного режима работы лазера) до ~25 мке (для десятипроцентного превышения). Скорость нарастания температуры вблизи точки плавления составляет при этом не менее ~50 К/нс.

5. В рамках разработанной модели связь между скоростью медленной деградации и величиной порога КОД позволяет установить значения параметров деградировавшей области а*9 и zq и их эволюцию с помощью тестов наработки.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 63 наименований, изложена на 111 страницах и проиллюстрирована 42 рисунками и 4 таблицами.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность экспериментальных и теоретических исследований явления КОД, показана важность моделирования являющегося причиной КОД разогрева области вблизи выходного зеркала лазера как для понимания процессов деградации, так и для оптимизации конструкции перспективных лазеров, сформулированы цели работы и решаемые для достижения этих целей задачи, представлены выносимые на защиту положения и показана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведены экспериментальные исследования динамики КОД для четырех групп образцов, изготовленных из одной гетерострукту-ры (таблица 1), но различающихся характером обработки выходных граней (таблица 2). Исследования проводились на оригинальной установке, регистрировавшей выходную мощность лазера и ток его накачки с временным разрешением 2 нс/отсчет. Лазеры накачивались однократным пилообразным импульсом длительностью около 5 мкс. Амплитуда импульса была достаточной для того, чтобы лазеры претерпели необратимое разрушение вследствие

КОД.

Излучение лазерного диода с помощью объектива фокусировалось на скоростном фотоприемнике ЛФД-3. Далее сигнал с фотодиода поступал на цифровой осциллограф TDS-2022, соединенный с персональным компьюте-

Таблица 1: Состав слоев исследованных образцов

№ Состав х, У Толщина с), мкм Показатель преломления

1 Р+-СаАз - 0,35 3,6436

2 Р-А1уСа1_уАв 0,37 1,95 3,3557

3 А^Са^Ая 0,31 0,12 3,3956

4 йаАв - 0,009 3,0436

5 А1хСа!_хАз 0,31 0,12 3,3956

С 1Ч-А1уСа1_уА8 0,37 2,74 3,3557

7 п-СаАэ - 100 3,529

Таблица 2: Характер покрытия выходных граней образцов разных групп

Группа Наличие слоя йпЭе Просветляющее покрытие

А нет нет

Б нет есть,

В есть нет

Г есть есть, ~5%

ром. На другой канал осциллографа поступал сигнал от генератора импульсов накачки. Оба сигнала, зарегистрированных осциллографом, передавались на компьютер для сохранения и обработки.

Результаты таких измерений представлены на рисунке 2. Представлены наиболее типичные кривые для каждой из групп исследуемых образцов.

Фактически эти кривые представляют собой ватт-амперные характеристики образцов в неявном виде, представленные параметрически как зависимости выходной мощности и тока накачки от времени. Поскольку за исключением небольшого участка, о котором речь пойдет ниже,

ток накачки зависит от времени Рис. 2: Выходная мощность и ток накачки в «ква-

практически линейно, сама зави-

зинепрерывном» режиме накачки

симость выходной мощности от

времени может рассматриваться как ВтАХ.

Резкий спад выходной мощности выражает собой процесс КОД, представляющий из себя обычно оптическое разрушение выходной грани (микрофотографии образцов из групп А—Г, претерпевших КОД, — по одному из каждой группы — показаны на рисунке 3). Длительность такого падения составляла от 50-80 не для образцов группы А до примерно 200 не для образцов группы Г. Выходная мощность в момент, непосредственно предшествующий резкому ее падению, является критической мощностью КОД. Несмотря на то, что на микрофотографии выходной грани образца группы В не видно следов оптического разрушения, из осциллограм на рисунке 2в ясно, что он также претерпел КОД. Такое поведение не является общим и типичным для образцов группы В: в большинстве своем на микрофотографиях их выходных граней тоже видно разрушение, аналогичное представленному на рисунках 76 и 7г. Аналогичное отсутствие видимых повреждений выходной грани изредка наблюдалось и для образцов серий Б и Г. Общим свойством всех образцов, претерпевших КОД без видимых повреждений выходной грани, является несколько более низкое значение пороговой мощности КОД по сравнению с другими образцами той же группы.

После КОД может происходить скачок тока накачки (рисунки 26 и 2в), после которого ток вновь меняется линейно, по уже с некоторым новым значением наклона. При повторных импульсах накачки ток также возрастает с этим самым новым значением наклона. Поскольку источник питания лазера представляет собой источник напряжения, нагруженный последовательно измерительным сопротивлением и лазерным диодом, такой скачок объясня-

Рис. 3: Микрофотографии выходных граней образцов, претерпевших КОД

ется снижением эффективного сопротивления лазера из-за необратимого создания шунтирующего диод канала. Таким шунтирующим каналом может служить переобогащенная элементами III группы область разрушения. Это подтверждается тем фактом, что скачок тока всегда происходил после КОД (с временным интервалом от примерно 100 не до по меньшей мере нескольких микросекунд). Сопротивление такого канала, по оценкам, не превышало величину порядка 1 Ом. Скачок тока наблюдался также и в случаях, когда выходная грань лазера не имела видимых повреждений. На некоторых образцах скачок тока не наблюдался.

Таблица 3: Мощностные характеристики оптического пробоя

Группа Ртах, МВт ■Ркр, мВт Рв„, мВт 5„„, 107 Вт/см2

А 300 300 557 4,64

Б 670 470 530 4,42

В 540 540 1000 8,33

Г 750 650 732 6,10

Значения максимальной и критической выходной мощности, а также критической мощности и оценки ее плотности (исходя из расчета поперечного распределения поля внутри резонатора с помощью метода эффективного показателя прелом-

ления) внутри лазера вблизи выходной грани в момент КОД, приведены в таблице 3.

Рис. 4: Ватт-амперная характеристика при на- Образцы группы Г также качке однократными импульсами с даштельно- исследовались в реж1ше накач. стью 100 не

ки прямоугольными импульсами длительностью от 30 до 100 не. На рисунке 4 показана ВтАХ одного из лазеров при накачке однократным импульсом длительностью в 100 не. В те-

2,5-

I-

Ш £ 2.0 t>

I 1,5

э

0

1 1,0

<и

§0,5

к

%

Ш 0,0

Средняя

Максимальная в импульсе

lUiW

1 2 3 4 5 6 7

Ток накачки, А

чение импульса выходная мощность лазера слегка снижалась, несмотря па некоторое возрастание тока накачки в течение импульса, что связано с искажениями поперечной моды (измерения спектров показали, что нагрев лазера незначителен), поэтому на рисунке представлены максимальная и средняя по импульсу мощности. Видно, что даже при средней мощности около 1,8 Вт лазер не подвергся КОД в течение одного импульса накачки.

Во второй главе диссертации представлена физическая модель процесса КОД. Явление КОД связано с возникновением положительной обратной связи. В формировании такой связи играют роль несколько процессов, происходящих при увеличении температуры:

• уменьшение коэффициента теплопроводности, приводящее к ухудшению теплоотвода в толщу лазера;

• рост вклада безызлучательной рекомбинации, приводящий к увеличению тепловыделения.

• роет поглощения в полупроводнике, также увеличивающий тепловыделение.

Вместе с тем, существует и отрицательная обратная связь. К пей приводит уменьшение мощности излучения лазера (а значит, и уменьшение тепловыделения за счет поглощения внутрирезонаторного излучения) за счет падения полного модового усиления, к которому могут привести уменьшение материального усиления и рост поглощения из-за разогрева или ухудшение волно-водных свойств лазера в латеральном направлении. Для последовательного учета такой отрицательной обратной связи необходимо самосогласованное решение тепловой и лазерной задач.

Область счета и выбранные оси координат показаны на рисунке 5. Сложная структура составляющих лазер слоев в модели заменена всего тремя слоями: двумя одинаковыми обкладочными и находящимся между ними активным слоем. При этом структура симметрична относительно плоскости х = 0. Также пренебрегалось изменением состава вдоль оси у (то есть гребнем лазера). Такие упрощения оправдываются тем фактом, что тепловые свойства

слоев реального лазера не очень сильно различаются, так что без значительной потери точности эти слои можно заменить двумя эффективными слоями, симметричными относительно активной области.

Размеры расчетной области в плоскости ху составляют 50 х х 50 мкм. Поскольку модель симметрична относительно плоскостей х = 0иу = 0, в действительности расчеты проводятся только в первом квадранте плоскости ху (х ^ 0, у ^ 0). Толщина активной области (порядка 100 А) много меньше размеров области счета, а также и характерных расстояний, на которых существенно меняется температура, поэтому в расчетах активная область предполагается бесконечно тонкой; объемные источники тепловыделения в ней заменяются поверхностным потоком тепла.

Важной составной частью модели является покрытие выходной грани. Параметры этого покрытия (теплопродность к-г{Т) и толщину dc) можно варьировать для изучения его влияния на разогрев выходной грани.

В показанной на рисунке 5 области решалось стационарное уравнение теплопроводности

V \к{г,Т) ■ VT] + F{f,T) = 0, (1)

где Т — температура, к — коэффициент теплопроводности для разных областей расчета (рисунок 5), a F(f,T) — зависящая от координат г = (x,y,z) и температуры Т плотность мощности источников тепла. Последняя представлялась в виде суммы шести членов (F{r,T) = ^ii^iT)), отвечающих рассмотриваемым процессам тепловыделения:

1. термализация инжектированных носителей;

Рис. 5: Область расчета модели КОД

2. термализация носителей, образовавшихся в результате возникающего в разогретой области резонансного поглощения лазерного излучения;

3. безызлучательная рекомбинация;

4. оптическое поглощение в дефектной приповерхностной области

а^ = а^ехр(-ф„); (2)

5. поверхностная безызлучательная рекомбинация;

6. оптическое поглощение в широкозонных обкладочных слоях.

Впервые здесь рассмотрено оптическое поглощение в дефектной приповерхностной области и в обкладочных слоях. Поскольку нет возможности расчета поглощения в дефектной области из первых принципов, поглощение аппроксимировалось экспоненциальным выражением (2). Через параметры адея и 2о явление КОД связывается таким образом с явлением медленной деградации (как показали многочисленные исследования, медленная деградация сопровождается диффузией дефектов вглубь лазера). Что касается поглощения в обкладочных слоях, то в предыдущих работах упоминалась возможная роль такого поглощения в процессе КОД, но в моделях оно прежде не учитывалось.

Граничными условиями тепловой задачи были: нулевой поток тепла через торцы лазера и равенство температуры его боковых граней температуре окружающей среды.

В лазерной задаче распространение поля предполагалось поперечно-од-номодовым:

1{х,у,г) = «(х)и(у) (Р+(г) + Р~(г)) . (3)

Здесь 1(х,у,г) — плотность потока мощности внутри резонатора, и{х) и у(у).~ нормированное поперечное распределение поля ^ и(х) dx = 1 и J у(у) <1у — = 1), а Р+(г) и Р~(г) — мощности волн, распространяющихся соответственно в положительном и отрицательном направлении оси г.

В связи с одномерным рассмотрением лазерной задачи (см. (3)), стандартные лазерные уравнения интегрируются по плоскости ху:

0- Т- >) ■+ ">-т - "ТЭГ* С" -

(4)

jp±

— = ± [Го-0 (fin - 7"о) - аш - £ад - а*»] Р±, (5)

где в уравнении для носителей п (4) первый член в правой части соответствует накачке {ф[г) отвечает за диффузионное расплывание в области токового ограничения), второй — спонтанной и безызлучательной рекомбинации (17 — отношение скоростей безызлучательной и излучательной рекомбинаций), третий — поверхностной рекомбинации и четвертый — стимулированному излучению. В уравнении для оптического потока (5) члены правой части отвечают соответственно за стимулированное излучение, рассеяние света на неод-нородностях внутри резонатора лазера, поглощению в обкладочных слоях и поглощению в деградировавшей области.

Уравнение (4) является простым алгебраическим уравнением относительно п, а для дифференциального уравнения (5) использовались граничные условия на зеркалах: Р+(0) = RiP~{0) и P'{L) = R2P+{L).

Также для оценки динамики КОД применялась нестационарная модель. В отличие от стационарной модели, в этом случае не учитывались лазерные уравнения. Поскольку, как показали расчеты стационарной модели, приповерхностная разогретая область очень мала, разогрев (сопровождающийся ростом поглощения и безызлучательной рекомбинации) не влияет практически на концентрацию носителей и внутрирезонаторную оптическую мощность. Для решения нестационарной тепловой задачи брались следующие значения тока накачки J, концентрации носителей п и световой мощности P±(z) (индексом кр обозначены величины для критической точки):

J = KJKр, п = Пкр и P±(z) = KP%{z), (6)

где К — коэффициент, больший единицы. При этом решалось нестационарное уравнение теплопроводности

С(f)~ = V Иг,Т) ■ VT] + F(f,T). (7)

Во третьей главе описана методика решения уравнений представленной во второй главе модели, позволяющая эффективно находить распределение температур внутри резонатора лазера, ватт-амперную характеристику и критическую мощность КОД, а также результаты расчетов. Для самосогласованного решения тепловых и лазерных уравнений использовался итерационный подход: сначала решались лазерные уравнения, затем тепловые, после чего последовательность повторялась до тех пор, пока новый шаг не переставал приводить к существенному изменению результатов расчетов (относительное изменение лазерной мощности составляло не более Ю-6, а изменение температуры — не более 1СП3).

После того, как описанный процесс сходился для некоторого значения тока накачки, ток увеличивался. Если положительная обратная связь, о которой шла речь выше, в достаточной степени превышает отрицательную, возникает неустойчивость, которая и означает КОД. В стационарной модели этому случаю соответствует отсутствие решения. Таким образом, если после очередного (небольшого) увеличения тока итерационный процесс переставал сходиться, это и означало развитие означенной неустойчивости. Таким образом, предыдущий ток накачки соответствует критической точке КОД с точностью до шага тока накачки.

Для изучения вклада отдельных механизмов тепловыделения в процесс КОД был использован следующий подход: сначала был выбран так называемый базовый набор параметров, с типичными для полупроводниковых лазеров ближнего ИК диапазона значениями, а затем параметры, ответственные за соответствующие механизмы, варьировались.

Рисунок 6а демонстрирует, как с ростом тока накачки для одного набора параметров происходит рост температуры выходной грани. Параметром

is

0

1 а

о

X

Глубина деградации z0, мкм

Ток накачки, А

Выходная мощность, Вт

Z, мкм

Рис. 7: Распределение температуры но оси z для разных токов накачки и (на вставке) в плоскости z = const для тока накачки 1 А в области максимального разогрева

Рис. 6: Зависимость разогрева выходной грани от тока накачки (выходной мощности) для разных значений г0 (а) и зависимость пороговой мощности КОД от г0 (б)

кривых является глубина деградировавшей области го- Хорошо видно, что сначала температура растет практически линейно с выходной мощностью, но затем рост становится все более быстрым. Крайние точки на кривых (помечены Ркр) — это последние точки, при которых удалось найти решение задачи; эти точки соответствуют порогу КОД. Хорошо видно, как пороговая мощность КОД уменьшается с глубиной деградации. Эта зависимость отдельно представлена на рисунке 66. Цифры у точек на этом рисунке соответствуют наработке в тыс. ч. Видно, что с выходной мощностью 0,5 Вт лазер с рассмотренными параметрами проработает порядка 3 тыс. ч.

На рисунке 7 показано распределение температуры внутри резонатора лазера для базовых параметров. Видно, что размер разогретой области составляет около 1x3x1 мкм по осям х, у и г соответственно. Максимальный разогрев при этом составляет около 430 °С.

Динамика разогрева (превышение максимальной температуры внутри резонатора над температурой окружающей среды) показана на рисунке 8. Этот рисунок дополнительно доказывает то, что отсутствие решения за критической точкой обусловлено неустойчивостью физической задачи, а не методикой ее решения. Хорошо видно также, что процесс разогрева выходной грани может быть разделен на два участка: медленный разогрев примерно на 500 °С и практически мгновенный дальнейший разогрев, скорость которого не ниже величины порядка ~50К/нс. Время медленного разогрева составляет 15 не для пятикратного превышения накачки над порогом КОД и 25 мке для десятипроцентного превышения.

С помощью варьирования параметров было показано, что наибольший

Время, с

Рис. 8; Динамика развития КОД

вклад в развитие КОД вносит температурная зависимость коэффициента теплопроводности. Также были определены пороги «включения» различных физических механизмов, то есть те величины их характерных параметров, начиная с которых дальнейшее увеличение (уменьшение) этих параметров приводит к существенному уменьшению критической мощности КОД. Кроме того, было показано, что токовое ограничение вблизи выходной грани на глубину 20 мкм привело к увеличению порога КОД лишь на 10%. Такое малое увеличение объясняется тем, что несмотря на токовое ограничение, концентрация носителей вблизи выходной грани остается высокой за счет резонансного поглощения излучения в разогретой активной области вблизи выходной грани.

Основные результаты

По результатам настоящей работы могут быть сделаны следующие выводы:

1. Создана установка для экспериментального исследования процесса КОД с цифровой регистрацией выходной мощности полупроводниковых лазеров с высоким временным разрешением, позволяющая определять величину критической мощности КОД и получать данные о динамике выходной мощности лазера во время развития КОД (наиболее быстрый, начальный этап падения выходной мощности представляется при этом по меньшей мере 40 отсчетами).

2. Проведены исследования явления КОД в образцах с различным характером обработки выходной грани после скола кристалла. Показано, что процесс падения выходной мощности от критического до в несколько раз меньшего значения занимает по времени от десятков до сотен наносекунд. Продемонстрировано, что в импульсном режиме накачки с длиной импульса 100 не порог КОД превышает по меньшей мере в 3 раза порог КОД для непрерывного режима.

3. Показано, что следствием КОД является возникновение шунтирующего канала, состоящего из переобогащенного элементами III группы состава. Возникновение такого канала может происходить как практически сразу после начала падения выходной мощности (за время менее 100 не), так и спустя по меньшей мере несколько микросекунд. Сопротивление такого канала не превышает значения порядка Ом. Шунтирующий качал может возникать и в том случае, когда поверхность выходной грани претерпевшего КОД лазера не имеет видимых повреждений.

4. Создана модель процесса катастрофической оптической деградации, самосогласованно учитывающая лазерные и тепловые соотношения. Модель отличается от ранее известных моделей как полнотой рассмотренных физических механизмов, влияющих на разогрев приповерхностной области, так и учетом часто применяющихся на практике для увеличения порога КОД конструктивных особенностей мощных полупроводниковых лазеров: защитного покрытия выходной грани и токового ограничения вблизи нее.

5. Была разработана численная реализация модели, позволяющая эффективно производить расчеты как стационарной, так и временной задачи. С ее помощью были произведены расчеты ватт-амперных характеристик и зависимостей температуры передней грани от выходной мощности для базовых параметров. С помощью вариации параметров была проведена оценка влияния различных механизмов на процесс КОД:

• Основной вклад в возникновение положительной обратной связи, приводящей к КОД, вносит уменьшение коэффициента теплопроводности с ростом температуры.

• Различные механизмы, влияющие на развитие КОД, «включаются» при следующих пороговых значениях параметров:

Приповерхностная безызлучательная рекомбинация

Критическая мощность КОД начинает снижаться при коэффи-

циенте поверхностной рекомбинации <3 > 3 х 104 см/с. Безызлучательная рекомбинация в объеме

Критическая мощность КОД начинает снижаться для значений характеристической температуры Тпг < 100 К. Оптическое поглощение в обкладочных слоях

Критическая мощность КОД начинает снижаться при уровне поглощения в обкладочных слоях ас1 > 10 см-1 при разогреве на 400°С.

Теплоотвод защитным покрытием

Увеличение толщины защитного покрытия перестает приводить к существенному возрастанию критической мощности КОД для толщины 4 > 1,5 мкм.

• Токовое ограничение увеличивает критическую мощность КОД лишь незначительно (на величину порядка ~10%).

6. В зависимости от значений параметров модели максимальный разогрев внутри резонатора лазера составляет 250-500 °С. При этом область разогрева (по полувысоте поля температур) составляет 1x3x1 мкм по осям х (перпендикулярно слоям), у (в плоскости слоев перпендикулярно оси лазера) и г (вдоль оси лазера) соответственно.

7. Разогрев приповерхностной области до точки плавления происходит за время от ~15 не (для пятикратного превышения выходной мощности над порогом КОД непрерывного режима работы лазера) до ~25 мкс (для десятипроцентного превышения). Скорость нарастания температуры вблизи точки плавления составляет при этом величину не менее ~50 К/нс.

8. В рамках модели установлена связь между скоростью медленной дегра-

дации и величиной порога КОД через параметры деградировавшей области а^9 и .го. Оценки показывают, что для скорости медленной деградации 2 х Ю-5 ч-1 при Ркр = 850 мВт (плотность потока = = 6 х 107 Вт/см2) после наработки 500 ч значения этих параметров со-

ставляют а0ед = 2 х 104 см 1 и 2о = 0,5 мкм. После наработки 2000 ч в таких условиях критическая мощность составит не более Рщ, ^ 560 мВт (5кр<4х 107 Вт/см2)

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Д. Р. Мифтахутдинов, Н. В. Дьячков, В. В. Поповичев, А. П. Некрасов, А. Е. Дракин, А. П. Вогатов, «Оптическое разрушение выходного зеркала в мощных поперечно-одномодовых гребневых лазерах на основе АЮаАв-гетероструктур», 6-й Белорусско-Российский семинар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе», Минск, 4-8 июня 2007, стр. 23-27

2. Д. Р. Мифтахутдинов, И. В. Акимова, А. П. Вогатов, Т. И. Гущик, А. Е. Дракин, Н. В. Дьячков, В. В. Поповичев, А. П. Некрасов, «Из-лучательные характеристики гребневых лазеров при больших токах накачки», Квантовая электроника, 38(11):993—1000 (2008)

3. Д. Р. Мифтахутдинов, А. П. Вогатов, А. Е. Дракин, «Катастрофическая оптическая деградация (КОД) выходной грани мощных поперечно-одномодовых диодных лазеров. Часть I. Физическая модель», Квантовая электроника, 40(7):583-588 (2010)

4. Д. Р. Мифтахутдинов, А. П. Богатое, А. Е. Дракин, «Катастрофическая оптическая деградация (КОД) выходной грани мощных поперечно-одномодовых диодных лазеров. Часть II. Расчет пространственного распределения температуры и порога КОД», Квантовая электроника, 40(7): 589-595 (2010)

Подписано в печать 20.10.2010 г. Формат 60x84/16. Заказ N854. Тираж 50 экз. П.л 1.5. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

Введение

1 Экспериментальное исследование КОД

1.1 Исследованные образцы и методика исследований

1.2 Основные излучательные характеристики образцов.

1.3 Результаты измерений при высоком уровне накачки в квазинепрерывном режиме.

1.4 Результаты измерений при высоком уровне накачки в импульсном режиме.

1.5 Обсуждение результатов измерений.

Предложение о создании лазера с полупроводниковой активной средой было сделано около полувека назад Басовым, Поповым, Вулом и Крохиным [1, 2]. В 1962 году Холлу и его группе [3] удалось создать первый полупроводниковый лазер на основе СаАэ, а в 1970 году группа Алферова [4] реализовала на двойной гетероструктуре первый полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. В настоящее время полупроводниковые лазеры составляют 55% всего рынка лазеров в стоимостном исчислении [5]. Такое завоевание рынка связано с уникальными характеристиками полупроводниковых лазеров: высоким (свыше 50%) КПД, широким диапазоном длин волн (от ближнего ультрафиолетового до среднего и даже дальнего инфракрасного диапазона), малыми размерами, невысокой по сравнению с другими типами лазеров ценой и высочайшей надежностью (средний срок службы у многих типов полупроводниковых лазеров достигает сотен тысяч часов).

Для многих применений полупроводниковых лазеров важнейшим направлением дальнейшего развития является повышение выходной мощности при сохранении дифракционного качества пучка. Примером может служить волоконная оптика, где качество пучка определяет коэффициент ввода излучения в волокно (долю мощности, введенной в волокно, по отношению к полной вводимой мощности), а высокая мощность позволяет добиться большого расстояния передачи информации без ретрансляции. Также можно привести в качестве примера такую важную область применения полупроводниковых лазеров, как оптические носители информации: здесь скорость и плотность записи информации определяются мощностью оптического пучка и возможностью его фокусировки в пятно минимально возможного размера, которая напрямую связана с качеством пучка. Кроме этого, высокая яркость (то есть высокая мощность при высоком качестве пучка) необходима для открытой оптической связи, генерации высших гармоник, систем наведения и локации.

Важным ограничением на пути повышения выходной мощности излучения является катастрофическая оптическая деградация (КОД), возникающая при превышении плостью оптического потока некоторого порогового значения (например, [6,7]). В большинстве случаев КОД возникает на выходной грани лазера, где плотность потока максимальна, однако, особенно при тщательной защите выходной грани, этот процесс может происходить и внутри резонатора [8].

0.8 0.6

А |

О X

0 0.4 2 ос га 1 о 0.2 л со о

0 200 400 600 800 1000

Время, ч

Рис. 1: Виды деградации [9|

При нынешнем уровне технологий производства полупроводниковых лазеров в основном, как показывают эксперименты, на практике проявляются два вида деградации (рисунок Медленная деградация заключается в постепенном уменьшении выходной мощности при постоянном токе накачки (или, если источник питания лазера охвачен обратной связью, поддерживающей на постоянном уровне выходную мощность, в постепенном возрастании тока накачки). Типичная скорость медленной деградации современных лазеров составляет, в зависимости от длины волны, порядка 2 х 10~6ч1-2 х 104ч-1 [9,10]. Другим видом деградации является вышеупомянутая катастрофическая (или мгновенная) деградация. Характерное время катастрофической деградации, как показано в главе 1 и ранних работах (например, [11]), составляет порядка сотен и даже десятков наносекунд. Важным свойством процесса КОД является его пороговый характер: этот процесс происходит при достижении выходной мощностью некоторого порогового значения. При этом медленная деградация сопровождается снижением пороговой мощности КОД, в чем выражается связь между этими двумя видами деградации.

Возможны два подхода к преодолению явления КОД. Первый подход — использование широкого волновода. При этом подходе, однако, встает проблема с качеством пучка: из-за нелинейных процессов взаимодействия оптического поля со свободными носителями, от концентрации которых зависит комплексный показатель преломления, возникает поперечная неустойчивость поля в волноводе [12]. Эта неустойчивость проявляется в том, что излучение в резонаторе лазера разбивается на «нити», что приводит к хаотическому поперечному распределению поля в ближней зоне и резкому ухудшению диаграммы направленности. Кроме того такие нити значительно уменьшают порог КОД по мощности, поскольку плотность мощности в области таких нитей значительно выше средней по выходной грани кристалла. В настоящее время проблема возникновения такой неустойчивости решается с помощью рупорных излучателей (МОРА [13]) и лазеров со встроенной наклонной решеткой (а-БРВ [14]), однако такие излучатели дороги и сложны в изготовлении; решение технологической задачи их изготовления едва ли можно считать окончательным.

Другим способом решения проблемы КОД является увеличение порога деградации. Детального понимания процесса КОД до настоящего времени нет, а потому исследования его по-прежнему актуальны. Основным механизмом, приводящим к КОД, является разогрев приповерхностной области лазерного диода вблизи выходного зеркала (как уже было сказано, такой процесс иногда происходит и в глубине лазера, однако для рассмотрения основных механизмов явления удобно пока опустить этот частный случай, поскольку оп принципиально не отличается от разрушения выходной грани лазера). Поскольку заднее зеркало мощных полупроводниковых лазеров делается глухим, а коэффициент отражения переднего зеркала не превышает 5%, плотность потока мощности максимальна вблизи выходного зеркала; также максимально и поглощение вблизи грани, о чем речь пойдет ниже. Таким образом, вблизи выходного зеркала мощность поглощаемого лазерного излучения максимальна, что и приводит к тому, что разогревается преимущественно приповерхностная область. Этот разогрев приводит к тому, что поглощение растет, а теплопроводность падает, что, свою очередь, приводит к дальнейшему разогреву области вблизи выходного зеркала. При некоторых условиях развитие такого разогрева может протекать катастрофически (при достаточной величине положительной обратной связи) и приводить к нагреву приповерхностной области до температуры плавления и дальнейшему расплавлению ее с необратимым повреждением резонатора лазера. Такой взгляд на КОД (рисунок 11), как на неустойчивость, возникающую из-за положительной обратной связи, в настоящее время можно считать общепринятым (например, [15-19]).

Вышеописанное поглощение вблизи грани резонатора лазера связано с тем, что при сколе кристалла химические связи становятся ненасыщенными, что приводит к адсорбции разных примесей из атмосферы, которые нарушают химический состав кристалла. Также эти связи могут насыщаться без адсорбции примесей, но и при этом происходит нарушение зонной структуры, приводящее к возникновению поглощения. В последствии за счет процессов диффузии дефекты кристаллической решетки продвигаются вглубь образца (например, [20] и ссылки там); поглощение, связанное с этими дефектами, растет, и порог КОД, соответственно, снижается.

Поскольку скорость диффузии с температурой значительно возрастает, особенно быстро такая диффузия происходит в работающем лазере, приповерхностная область которого существенно разогрета. Даже без глубокого исследования процесса КОД сразу же становится понятной идея одного из методов повышения порога деградации — использования пассивирующего покрытия граней. Такое покрытие в некоторой степени предотвращает адсобрцию примесей из атмосферы и искажение

Рис. 11: Возникновение положительной обратной связи, приводящей к КОД зонной структуры, насыщая разрушенные при колке химические "связи. Кроме того, такое покрытие играет роль теплового резервуара, отводящего тепло от наиболее разогретой области лазера, тем самым как ослабляя положительную обратную связь, вызывающую развитие КОД, так и замедляя медленную деградацию, связанную с диффузией дефектов: скорость такой диффузии сильно зависит от температуры.

Поиск подходящего покрытия, однако, является очень непростой задачей, при решении которой приходится сталкиваться с различными техническими противоречиями. Например, с одной стороны, желательно увеличивать толщину покрытия, поскольку тогда оно будет лучше отводить тепло, но в этом случае трудно обеспечить хорошую его адгезию: при работе лазера и разогреве его приповерхностной области контакт между таким покрытием и передней гранью лазерного кристалла может нарушиться из-за возникновения механических напряжений. Химический состав пассивирующего покрытия и методы его нанесения не могут в настоящее время быть определены из каких-либо теоретических соображений и определяются эмпирически в ходе дорогостоящих изысканий, результаты которых являются ноу-хау производителей лазеров и не публикуются в доступных для научной общественности источниках. В связи с этим также актуальна задача поиска других методов повышения порога КОД.

Вышесказанное обосновывает необходимость изучения явления КОД как экспериментально, так и теоретически. Первые сообщения о КОД появились практически одновременно с сообщениями о создании полупроводниковых лазеров [21-23], но и в настоящее время продолжаются как экспериментальные [24-26], так и теоретические [27,28] исследования этого процесса.

Одна из первых моделей процесса КОД была предложена Генри в 1979 году [29]. Однако, эта модель едва ли могла считаться удовлетворительной, поскольку приводила к несогласующимся с экспериментами выводам (например, в этой модели процесс КОД получался для любых значений мощности излучения лазера). Эти противоречия — следствие ряда нереалистичных предположений, используемых в модели. Модель предполагала одномерное распространение тепла от нагретой области в бесконечной среде, что само по себе уже обеспечивает неограниченный рост температуры во времени при любой, даже сколь угодно малой, постоянной поглощаемой мощности. Кроме того, опираясь на данные о температурной зависимости коэффициента поглощения в непрокачанном арсениде галлия, в модели Генри предполагается, что то же поглощение будет и в прокачанном полупроводнике, причем все поглощаемое излучение (правда, с оговоркой, что не более трети от общей оптической мощности) идет в тепло, так что пренебрегается всеми видами излучательных переходов. Модель Генри в последствии была развита другими авторами [30-32], однако сохранила свои основные недостатки и лишь качественно могла продемонстрировать отдельные аспекты явления КОД.

Впоследствии были созданы и принципиально иные модели [15, 17-19]. В этих моделях явление КОД рассматривалось как описанный выше1 процесс с положительной обратной связью (рисунок 11). Однако до сих пор нет согласия относительно деталей этого процесса. Одним из наиболее важных моментов, в котором нет ясности, является поглощение в широкозонных обкладочных слоях. В 1993 году Чен и Тьен [15], пытаясь объяснить расхождение теоретических оценок с экспериментальными данными, предположили, что оно может играть важную роль в процессе КОД. Возможность существенного вклада такого поглощения связана с тем, что при разогреве обкладочных слоев ширина запрещенной зоны в них уменьшается и таким образом резко возрастает поглощение (обычно поглощение фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, описывается экспоненциально спадающим «хвостом» [33,34]). При определенных условиях такое поглощение могло бы играть основную роль в образовании положительной обратной связи, приводящей к КОД. Однако до сих пор нет работ, в которых последовательно бы учитывалось такое поглощение.

Помимо увеличения порога КОД, важной задачей является и прогнозирование ее наступления. Для такого прогнозирования в настоящее время существуют эмпирические методики, основанные на измерении уменьшения эффективности лазера [35] или увеличения температуры выходной грани с наработкой [36]. При этом для измерения температуры выходной грани полупроводникового лазера применяются различные методики, такие как рамановская спектроскопия, исследование с помощью сканирующего электронного микроскопа, измерение фотолюминесценции и коэффициента отражения (детальное описание методов таких измерений можно найти в [37] и размещенных там ссылках). Моделирование процесса КОД делает возможным усовершенствование методик его прогнозирования. С помощью сравнения измеренных зависимостей эффективности лазера или температуры его выходной грани от наработки со смоделированными зависимостями можно хСм. стр. 12 сделать вывод о том, какие значения принимают те или иные учитывающиеся в модели внутренние параметры лазера, и точнее спрогнозировать его медленную деградацию, приводящую к снижению порога КОД вплоть до уровня выходной мощности лазера и тем самым к его разрушению.

В настоящей работе ставились следующие цели:

Заключение

По результатам настоящей работы можно сделать следующие выводы:

1. Создана установка для экспериментального исследования процесса КОД с цифровой регистрацией выходной мощности полупроводниковых лазеров с высоким временным разрешением, позволяющая определять величину критической мощности КОД и получать данные о динамике выходной мощности лазера во время развития КОД (наиболее быстрый, начальный этап падения выходной мощности представляется при этом по меньшей мере 40 отсчетами).

2. Проведены исследования явления КОД в образцах с различным характером обработки выходной грани после скола кристалла. Показано, что процесс падения выходной мощности от критического до в несколько раз меньшего значения занимает по времени от десятков до сотен наносекунд. Продемонстрировано, что в импульсном режиме накачки с длиной импульса 100 не порог КОД превышает по меньшей мере в 3 раза порог КОД для непрерывного режима.

3. Показано, что следствием КОД является возникновение шунтирующего канала, состоящего из переобогащенного элементами III группы состава. Возникновение такого канала может происходить как практически сразу после начала падения выходной мощности (за время менее 100 не), так и спустя по меньшей мере несколько микросекунд. Сопротивление такого канала не превышает значения порядка ~1 Ом. Шунтирующий канал может возникать и в том случае, когда поверхность выходной грани претерпевшего КОД лазера не имеет видимых повреждений.

4. Создана модель процесса катастрофической оптической" деградации, самосогласованно учитывающая лазерные и тепловые соотношения. Модель отличается от ранее известных моделей как полнотой рассмотренных физических механизмов, влияющих на разогрев приповерхностной области, так и учетом часто применяющихся на практике для увеличения порога КОД конструктивных особенностей мощных полупроводниковых лазеров: защитного покрытия выходной грани и токового ограничения вблизи нее.

5. Была разработана численная реализация модели, позволяющая эффективно производить расчеты как стационарной, так и временной задачи. С ее помощью были произведены расчеты ватт-амперных характеристик и зависимостей температуры передней грани от выходной мощности для базовых параметров. С помощью вариации параметров была проведена оценка влияния различных механизмов на процесс КОД:

• Основной вклад в возникновение положительной обратной связи, приводящей к КОД, вносит уменьшение коэффициента теплопроводности с ростом температуры.

• Различные механизмы, влияющие на развитие КОД, «включаются» при следующих пороговых значениях параметров:

Приповерхностная безызлучательная рекомбинация

Критическая мощность КОД начинает существенно снижаться при коэффициенте поверхностной рекомбинации ф > 105 см/с. Безызлучательная рекомбинация в объеме

Критическая мощность КОД начинает существенно снижаться для значений характеристической температуры Тпг < 100 К. Оптическое поглощение в обкладочных слоях

Критическая мощность КОД начинает существенно снижаться при уровне поглощения в обкладочных слоях аы > 10 см-1 при разогреве на 400°С.

Теплоотвод защитным покрытием

Увеличение толщины защитного покрытия для параметров, соответствующих часто применяемому в этом качестве ZnSe, перестает приводить к существенному возрастанию критической мощности КОД для толщины dc > 1,5 мкм.

• Токовое ограничение увеличивает критическую мощность КОД на величину порядка 10-15%.

6. Показано, что в зависимости от значений параметров модели максимальный разогрев внутри резонатора лазера составляет 250-500 °С. При этом область разогрева (по полувысоте поля температур) составляет 1x3x1 мкм по осям х (перпендикулярно слоям), у (в плоскости слоев перпендикулярно оси лазера) и z (вдоль оси лазера) соответственно.

7. Были получены оценки скорости разогрева материала лазерного диода вблизи выходной грани для импульсной накачки. Показано, что разогрев области вблизи выходной грани до точки плавления происходит за время от ~15 не (для пятикратного превышения выходной мощности над порогом КОД непрерывного режима работы лазера) до ~25 мке (для десятипроцентного превышения). Скорость нарастания температуры вблизи точки плавления составляет при этом величину не менее ~50 К/нс.

8. В рамках модели установлена связь между скоростью медленной деградации и величиной порога КОД через параметры деградировавшей области äff'1 и zq. Оценки показывают, что для скорости медленной деградации 2 х Ю-5 ч~х при Рщ, = 850 мВт (плотность потока SKp = 6 х 107 Вт/см2) после наработки 500 ч значения этих параметров составляют а^9 = 2 х 104 см-1 и Zq = 0,5 мкм. После наработки 2 тыс. ч в таких условиях критическая мощность составит не более Ркр ^ 560 мВт (SKp ^ 4 х 107 Вт/см2)

Итак, можно отметить, что с помощью созданной в ходе выполнения настоящей диссертации модели, во-первых, возможно более глубокое понимание процесса КОД (за счет полноты включения физических механизмов возможно оценить вклад каждого из них по отдельности). Такое понимание необходимо для поиска путей дальнейшего увеличения пороговой мощности КОД, поскольку часть параметров лазера (в первую очередь, характеристики поверхности лазера) может быть сознательно изменена с помощью изменения технологических процессов; при этом важно понять, в какой момент дальнейшее улучшение выбранных характеристик лишается смысла из-за того, что уже другой физический процесс становится главным в возникновении катастрофической оптической деградации.

Во-вторых, модель открывает перспективу разработки методик прогнозирования срока службы образцов мощных поперечно-одномодовых полупроводниковых лазеров с помощью сопоставления экспериментальных временных зависимостей их излучательных характеристик (ВтАХ) и температуры выходной грани с расчи-танными с помощью модели. Такое сравнение позволит оценить течение процесса медленной деградации лазера и тем самым произвести оценку того момента времени, когда критическая мощность КОД сравняется с выходной мощностью лазера (то есть, произойдет разрушение выходной грани лазера).

Тем самым модель и выполненные на ее основе расчеты могут служить теоретической базой для разработки новых типов диодных лазеров с повышенной мощностью, а также методик прогнозирования их надежности.

В заключении автор приносит благодарность всем сотрудникам лаборатории инжекционных лазеров ОКРФ ФИАН за помощь в работе и своему научному руководителю А. П. Богатову за предложение темы диссертации, полезные дискуссии и ценные замечания.

1. Н. Г. Басов, Б. М. Вул и Ю. М. Попов. «Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний». ЖЭТФ, 37:587, 1959.

2. Н. Г. Басов, О. Н. Крохин и Ю. М. Попов. «О полупроводниковых усилителях и генераторах с отрицательной эффективной массой носителей». ЖЭТФ, 38:1879, I960.

3. R. N. Hall, G. Е. Fenner, J. D. Kingsley, Т. J. Soltys, and R. O. Carlson. "Coherent light emission from GaAs junctions". Physical Review Letters, 9:366, 1962.

4. V. Coffey, G. Overton, and К. Kincade. "Photonics west 2008: Clear skies marred by storm clouds on horizon?". Laser Focus World, page 20, March 2008.

5. Т. Kamikawa, Y. Kawaguchi, P. О. Vaccaro, S. Ito, and H. Kawanishi. "Highly reliable 500 mw laser diodes with epitaxially grown AlON coating for high-density optical storage". Applied Physics Letters, 95:031106, 2009.

6. S. Tomiya, O. Goto, and M. Ikeda. "Structural defects and degradation in highpower pure-blue GaN-based laser diodes". Proceedings of SPIE, 6894:68940N, 2008.

7. P. Ressel, G. Erbert, U. Zeimer, K. Hausler, G. Beister, B. Sumpf, A. Klehr, and

8. G. Trankle. "Novel passivation process for the mirror facets of Al-free active-region high-power semiconductor diode lasers". IEEE photonics technology letters, 17:962, 2005.

9. И. В. Акимова, А. П. Богатов, A. E. Дракин и В. П. Коняев.- «Динамика оптического разрушения выходного зеркала гребневых полупроводниковых лазеров на основе напряженных квантоворазмерных гетероструктур». Квантовая электроника, 25:647, 1998.

10. А. P. Bogatov. "Filamentation, lateral field instability, and six-wave mixing in semiconductor lasers". Proceedings of SPIE, 2399:456, 1995.

11. J. N. Walpole. "Semiconductor amplifiers and lasers with tapered gain regions". Optical and Quantum Electronics, 28:623, 1996.

12. K. Paschke, A. P. Bogatov, A. E. Drakin, R. Guther, A. A. Stratonnikov,

13. H. Wenzel, G. Erbert, and G. Trankle. "Modeling and measurements of the radiative characteristics of high-power a-dfb lasers". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 9:835, 2003.

14. G. Chen and L. Tien. "Facet heating of quantum well lasers". Journal of Applied Physics, 74:2167, 1993.

15. P. G. Eliseev. "Optical strength of semiconductor laser materials". Progress in Quantum Electronics, 20:1, 1996.

16. J. Hendrix, G. Morthier, and R. Baets. "Influence of laser parameters and unpumped regions near the facets on the power level for catastrophic optical damage in short wavelength lasers". IEE Proceedings on Optoelectronics, 144:109, 1997.

17. U. Menzel. "Self-consistent calculation of facet heating in asymmetrically coated edge emitting diode lasers". Semiconductor Science and Technology, 13:265, 1998.

18. W. R. Smith. "Mathematical modeling of thermal runaway in semiconductor laser operation". Journal of Applied Physics, 87:8276, 2000.

19. J Jimenez. "Fiabilité des diodes laser : défauts cristallins et modes de dégradation". Comptes Rendus Physique, 4:663, 2003.

20. D. P. Cooper, С. H. Gooch, and R. J. Sherwell. "Internal self-damage of gallium arsenide lasers". IEEE Journal of Quantum Electronics, 2:329, 1966.

21. C. D. Dobson and F. S. Keeble. "The surface damage of high output gallium arsenide lasers". In International Symposium on GaAs and Related Compounds, Reading, Pa., 1966.

22. H. Kressel and H. Mierop. "Catastrophic degradation in GaAs injection lasers". Journal of Applied Physics, 38:5419, 1967.

23. M. Ziegler, J. W. Tomm, T. Elsaesser, C. Matthiensen, M. B. Sanayeh, and P. Brick. "Real-time thermal imaging of catastrophic optical damage in red-emitting highpower diode lasers". Applied Physics Letters, 92:103514, 2008.

24. A. K. Chin, R. K. Bertaska, M. A. Jaspan, A. M. Flusberg, S. D. Swartz, M. T. Knapczyk, R. Petr, I. Smilanski, and J. II. Jacob. "A comprehensive model of catastrophic optical-damage in broad-area laser diodes". Proceedings of SPIE, 7198:71981A, 2009.

25. С. H. Henry, P. M. Petroff, R. A. Logan, and F. R. Merritt. "Catastrophic damage of Al^Gai-xAs double-heterostructure laser material". Journal of Applied Physics, 50:3721, 1979.

26. W. Nakwaski. "Thermal analysis of the catastrophic mirror damage in laser diodes". Journal of Applied Physics, 57:2424, 1985.

27. W. Nakwaski. "Thermal model of the catastrophic degradation of high-power stripe-geometry GaAs/(AlGa)As double-heterostructure diode lasers". Journal of Applied Physics, 67:1659, 1990.

28. J. S. Yoo, H. H. Lee, and P. Zory. "Temperature rise at mirror facet of cw semiconductor lasers". IEEE Journal of Quantum Electronics, 28:635, 1992.

29. J. I. Pankove. "Absorption edge of impure gallium arsenide". Physical Revue, 140:A2059, 1965.

30. S. R. Johnson and T. Tiedje. "Temperature dependence of the Urbach edge in GaAs". Journal of Applied Physics, 78:5609, 1995.

31. Т. Q. Tien, F. Weik, J. W. Tomm, B. Sumpf, M. Zorn, U. Zeimer, and G. Erbert. "Thermal properties and degradation behavior of red-emitting high-power diode lasers". Applied Physics Letters, 89:181112, 2006.

32. J. W. Tomm, E. Thamm, A. Barwolff, T. Elsaesser, J. Luft, M. Baeumler, S. Mueller, W. Jantz, I. Rechenberg, and G. Erbert. "Facet degradation of highpower diode laser arrays". Applied Physics A, 70:377, 2000.

33. T. Hayakawa. "Facet temperature distribution in broad stripe high power laser diodes". Applied Physics Letters, 75:1467, 1999.

34. М. Fukuda, М. Okayasu, J. Temmyo, and J. Nakano. "Degradation behavior of 0.98-/Шl strained quantum well InGaAs/AlGaAs lasers under high-power operation". IEEE Journal of Quantum Electronics, 30:471, 1994.

35. S. Adachi, editor. Properties of Aluminium Gallium Arsenide, page 48. INSPEC, London, 1993.

36. K. S. Dubey. "Analysis of lattice thermal conductivity of GaAs at high temperatures". Journal of Thermal Analysis, 14:213, 1978.

37. К. Н. Park, J. К. Lee, D. Н. Jang, Н. S. Cho, С. S. Park, К. E. Pyun, J. Y. Jeong, S. Nahm, and J. Jeong. "Characterization of catastrophic optical damage in Al-free InGaAs/InGaP 0.98 fim high-power lasers". Applied Physics Letters, 73:2567, 1998.

38. X. Liu, Ни M. H., C. G. Caneau, R. Bhat, L. C. Hughes, and C.-E. Zah. "Thermal management strategies for high power semiconductor pump lasers". IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 29:268, 2006.

39. P. S. Zory. Quantum Well Lasers, pages 40,117. Academic Press, 1993.

40. S. Adachi, editor. Properties of Aluminium Gallium Arsenide, page 80. INSPEC, London, 1993.

41. J. I. Pankove. "Temperature dependence of emission efficiency and lasing threshold in laser diodes". IEEE Journal of Quantum Electronics, 4:119, 1968.

42. C. W. Snyder, J. W. Lee, R. Hull, and Logan R. A. "Catastrophic degradation lines at the facet of InGaAsP/InP lasers investigated by transmission electron microscopy". Applied Physics Letters, 67:488, 1995.

43. C. A. Hoffman, H. J. Gerritsen, and A. V. Nurmikko. "Study of surfacerecombination in gaas and inp by picosecond optical techniques". Journal of Applied1. Physics, 51:1603, 1980.

44. M. Ziegler, V. Talalaev, J. W. Tomm, T. Elsaesser, P. Ressel, B. Suinpf, and Erbert G. "Surface recombination and facet heating in high-power diode lasers". Applied Physics Letters, 92:203506, 2008.

45. А. С. Давыдов. Теория твердого тела, стр. 304. Наука, Москва, 1976.

46. В. М. Агранович. Теория экситонов, стр. 152. Наука, Москва, 1968.

47. G. D. Cody, Т. Tiedje, В. Abeles, В. Brooks, and Y. Goldstein. "Disorder and the optical-absorption edge of hydrogenated amorphous silicon". Physical Review Letters, 47:1480, 1998.

48. A. A. Stratonnikov, A. P. Bogatov, A. E. Drakin, and F. F. Kamenets. "A semianalytical method of mode determination". Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 4:535, 2002.

49. S. Todoroki, M. Sawai, and K. Aiki. "Temperature distribution along the striped activc region in high-power GaAlAs visible lasers". Journal of Applied Physics, 58:1124, 1985.

50. H. Brugger and P. W. Epperlein. "Mapping of local temperatures on mirrors of GaAs/AlGaAs laser diodes". Applied Physics Letters, 56:1049, 1990.

51. W. C. Tang, H. J. Rosen, P. Vettiger, and D. J. Webb. "Raman microprobe study of the time development of AlGaAs single quantum well laser facet temperature on route to catastrophic breakdown". Applied Physics Letters, 58:557, 1991.

52. P. K. L. Chan, A. D. Sathe, K. P. Pipe, J. J. Plant, and Juodawlkis P. W. "Time-resolved microscale temperature measurements of high-power semiconductor lasers". ASME Conference Proceedings, IMECE2005:657, 2005.

53. T. J. Ochalski, D. Pierscinska, K. Piersciriski, M. Bugajski, J. W. Tomm, T. Grunske, and A. Kozlowska. "Complementary thermoreflectance and micro-raman analysis of facet temperatures of diode lasers". Applied Physics Letters, 89:071104, 2006.

54. X. Gao, В. Во, Y. Qu, J. Zhang, and H. Li. "980 nm high power semiconductor laser stacked arrays with non-absorbing window". Journal of Materials Science and Technology, 23:36, 2007.