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作者 毛峰 华东师范大学通信与电子工程学院电子工程系极化材料与器件教育部重点实验室 我们一般将单模输出功率超过500 mW的LDs称之为高功率半导体激光器(High power laser diodes，HPLDs)。对于电光转换效率最高可达75%的HPLDs，其剩余电能会引起器件升温，导致器件退化甚至引起灾难性光学损伤(Catastrophic optical damage，COD)，进而影响器件的可靠性，制约器件实现更高的光学输出功率。 光学灾变损伤是个啥？ 能够如何改善？ 下文小光带大家一起了解。 1 COD产生的原因和影响 光学灾变损伤，亦称灾变性光学镜面损伤（Catastrophic optical mirror damage,COMD），是大功率激光器的一种故障模式。 通常我们会认为COD的产生是由于半导体PN结因超过功率密度而过载，并吸收了太多增益产生的光能，最终导致腔面区域的熔化、再结晶，而受影响的区域将产生大量的晶格缺陷，破坏了器件的性能。当影响的区域足够大时，我们便将在光学显微镜下观察到的腔面变黑以及裂缝、沟槽等现象，称之为“外COD机制”。 但是，我们通过对商业化的GaAs基HPLDs进行缺陷发射和热动力学实验研究时（见图1），发现COD的产生与上述描述的外COD模型存在一定差异，并提出了“内COD机制”，即该类器件的COD主要是由于器件内部（光学活性区）点缺陷并存在以不同速率沿波导方向向两个端面拓展的趋势，其光吸收后的非辐射复合导致温升效应，伴随着缺陷态的移动向端面演化，最终导致器件退化或者损坏。 图1 （左）商品化HPLDs外观示意图；（右）基于InGaAs/GaAs单阱结构的980 nm激光器在脉冲加速老化条件下，发生COD前后缺陷态的短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）热像动力学谱。通过注入脉冲电流（加速老化），并根据器件发生COD前后所发出的SWIR和MWIR信号，表明研究器件（或结构）的COD并非直接发生于通常认为的腔体端面，而是源自腔体内部，即“内COD”。 由内COD机制可见，器件产生COD的时候，首先对激光器内部的材料造成了不可逆的损伤，使得内部材料的缺陷态增多，这严重影响了激光器内部的腔结构，缩短了该器件的使用寿命，降低了器件的发光效率和输出功率。 2 COD的研究进展 早在半导体激光器问世的初期，实验上就已经观察到激光器在高功率持续输出的情况下，器件因COD而失效的现象，从而引起了学者对COD研究的热潮。 然而，由于高功率半导体激光器的尺寸小、外延结构比较复杂，其腔内局部的瞬间热效应造成的器件损伤是永久性的和破坏性的，因此有关高功率半导体激光器的缺陷及其热效应动力学的基础研究一直是国际上研制更高功率激光器的热点和难点。 目前与器件退化和COD相关的研究工作，主要是基于器件已完成COD的实验结果，而对于器件在退化时，尤其是在COD前后对其腔体内部的热动力学研究甚少，以致于有关器件热效应的来源只能简单地归因于器件中，特别是衬底中的缺陷，而对缺陷态产生的物理机制、演变过程，以及其对热贡献的动力学过程并不清晰。 同时，基于对“外COD”模型的共识，对于单管器件的稳定性优化和提升而言，除了对器件结构设计进行优化外，当前实验仍以改进腔体端面为主，包括各种腔面钝化、全反镜等技术，以提高器件COD的阈值电流。 我们提出的“内COD模型”可为进一步深入研究器件COD机制提供新的见解和思路。实现该功能的光路见图2所示。 图2 多方向、分波段的谱分辨及热像信息同步探测的光路示意图（Delay Gen.-延迟发生器、BS-光学分数器、PD-光电探测器、Cam-相机） 需要指出的是，相较成熟的GaAs基HPLDs而言，在蓝绿光发射区及更短波长范围内存在重要应用前景的GaN基HPLDs，其GaN基质导热性更好、阈值电流更低，但其单管最大连续输出功率存在数量级偏低（仅瓦级），这对本身利用昂贵的自支撑GaN衬底进行制备的蓝色激光器而言，显然限制了其应用范围。 导致器件效率低的原因一般认为是缺少优质衬底材料，即使已有多种尝试拟改善GaN衬底“丰富的”缺陷态，但相较GaAs而言，GaN基质（或衬底）的位错密度仍高几个数量级，致使其器件输出功率相较低了至少一个数量级。 近期中科院苏州纳米所在InGaN激光器研制方面，通过在成本低且易于电学集成的硅衬底上采用AlN/AlGaN缓冲层结构获得了413 nm输出的室温InGaN激光器[Nature Photonics， 10: 595 (2016)]，该器件结构有望从本质上解决成本高且缺陷态丰富的GaN衬底带来的负面影响，但因器件效率和输出功率问题，研究中仍然未涉及器件光学活性层（包括阱层和波导层等）的缺陷态及其热效应。因此，如何揭示该类器件结构中的缺陷态起源、空间分布及其引起的热动力学，对有效提高该类器件输出功率仍具有指导意义。 3 COD研究的难点 处于工作中的HPLDs，除了发射特定激光窄波长外，其辐射信号还包括： １）来自具有增益效果的阱层给出的自发辐射信号，该信号覆盖激光器的激射波长。 ２）来自量子结构中垒层、波导层，甚至熔覆层的自发辐射信号。这些本身就比较宽的辐射信号不仅会在室温环境下被展宽，而且还会被因重掺杂而形成的简并缺陷态所展宽，同时器件工作时的载流子温升效应也会进一步展宽这些辐射信号。 ３）来源于缺陷态，并能与上述辐射信号明显区分开的短波红外（SWIR）辐射信号，位于１-２μm。 ４）来源于器件热效应（温度升高）而产生的中波红外（MWIR）辐射信号。 然而，当器件在高注入模式下工作时，其内部热效应显著，最高温度甚至可达1600℃。根据Planck定律（λc(μm)·T(K)=2898），其热辐射谱中心波长可至~1.5 μm，这一信号已与SWIR信号耦合。 因此，对于微纳尺度的HPLDs而言，如何分离并指认这两信号的物理及空间起源存在一定难度。 对于COD的空间分辨，借助近场扫描光学显微镜技术，可对腔体结构进行前端、后端、侧面等多方向的辐射信号进行空间分辨扫描探测；对于热效应在红外波段的谱分辨信号/热辐射信号，尤其是在热效应发生的初期，温度上升的不是那么快，器件内部的热辐射信号并不是十分显著，其辐射的中红外波段电磁波信号往往被较强的室温背景较宽的辐射信号所淹没，这需要借助具有一定特色的、特别是能在有效消除强室温背景干扰信号的同时，获取到器件的本征热辐射弱信号的前沿研究手段（比如说通过调制的方法来消除室温背景对热辐射信号的影响），在温度效应较明显时，需进一步借助分波段热像仪对信号进行同步探测，光路可参考图2所示。 4 COD的改善方法 获得高功率输出、高光束质量是研制HPLDs的核心，除样品制备和器件加工外，了解并掌握器件的结构设计和结构中的缺陷分布相关性是关键因素之一，因为在追求高功率激光输出的同时，缺陷因非辐射复合导致的热效应会引起器件失效甚至COD，从而影响器件电光效率和寿命。 虽然器件COD无法从根源上去杜绝，但是我们可以从其产生的物理机制角度来获得一些启示，下面展望几点改善COD的方法： 1）光学活性区材料质量进一步提高是本质，这涉及到材料制备工艺技术和水平。对于GaN基激光器而言，从材料制备的角度降低其辐射信号位于短波红外波段的缺陷态密度更为关键； 2）通过结构设计优化光学活性层、特别是腔体的导热系数。封装采用导热性好的金属和激光器使用时采用水冷都是常见的减少器件内部热积累的方法； 3）继续从激光器的腔面入手，通过镀膜的方法来防止腔表面氧化，或者采用腔面钝化技术来降低腔表面的载流子的复合速率、控制表面态密度和腔体发热及热积累； 4）降低激光器的阈值电流也是一种有效改善COD的途径，目的是减少热的产生。然而，阈值电流的降低跟材料的质量息息相关。对于GaN基器件而言，获得高质量的GaN衬底和优化激光器结构是降低阈值电流的两种方法； 5）对器件高注入模式下进行热像信息监测，作为一种防范措施可避免器件出现非可逆性损坏。 5 总结 本文总结了HPLDs的COD，大致包含其产生原因、影响、研究进展及其难点，同时提出了几点改善方法。综上所述，我们对于COD有了更加全面的了解， COD的产生是器件不可避免的一个问题，而且它对于器件的影响是不可逆的。然而，对于器件内部热的产生及其演化规律所知甚少，这个问题也是研究COD的一大难点，还需要进一步探索。 ☆ END ☆ |
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