Полупроводниковые лазерные диоды и особенности проектирования схем на их основе

0
22
views

Радиолюбители часто пытаются с той или иной степенью успешности использовать в своих конструкциях полупроводниковые лазерные излучатели видимого и ИК спектра. Лазерный диод внешне кажется довольно простым полупроводниковым прибором. Ему не нужно ни высоких напряжений, ни колоссальных токов. Он на первый взгляд похож на светодиод: пропустил через него ток — получил на выходе излучение. Тем не менее, в использовании полупроводниковых лазеров кроется некоторое количество подводных камней, игнорирование которых ведет прежде всего к снижению их надежности, к быстрой деградации выходной мощности и качества пучка, а нередко и к мгновенному выходу из строя еще до первого включения. В этой статье я хотел бы обратить на эти подводные камни внимание. Лазерный диод – это почти светодиод. Структура лазерного диода напоминает обычный светодиод, и в сущности им же и является. Двойная гетероструктура, гетероструктура с квантовыми ямами и квантовыми точками — все эти типы светоизлучающих полупроводниковых структур применяются и в современных высокоэффективных светодиодах.

Задачи у этих структур в светодиоде и лазере отличаются: в первом нужно за счет рекомбинации получить излучение само по себе, во втором — инверсную заселенность, превращающую полупроводник в активную среду, усиливающую свет. Тем не менее, решаются они почти одинаково. Первые полупроводниковые лазеры, созданные в 1962 году американцами Робертом Холлом и Ником Холоньяком и советскими учеными Николаем Басовым, Олегом Крохиным и Юрием Поповымбыли сделаны на основе обычного pn-перехода на арсениде галлия, излучающего свет в ближней инфракрасной области, и на арсениде-фосфиде галлия — видимый красный свет. Из-за низкой эффективности такие лазеры работали лишь при чудовищной плотности тока, только в импульсном режиме и при охлаждении до криогенных температур, что не только спасало кристалл от расплавления, но и повышало эффективность преобразования энергии тока в энергию возбужденных состояний и удлиняло время их жизни, что облегчало получение инверсной заселенности.

На этом рисунке (из Нобелевской лекции Жореса Алферова) приведен пример схемы строения активной зоны типичного современного лазерного диода, включающего квантовую яму из нелегированного высокоомного арсенида галлия и гетероструктурную сверхрешетку из тончайших (доли нанометра) слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, а также слои с более высоким показателем преломления, обеспечивающие удержание света в активной зоне. А чтобы превратить светодиод в лазер, не хватает самой малости. Имя ей —

Оптический резонатор

Размеры активной зоны на основе полупроводникового кристалла чрезвычайно малы и встроить его в традиционный оптический резонатор из зеркал и линз было бы очень сложно, а еще сложнее — отъюстировать эту оптическую схему. Тем не менее, первый лазерный диод был создан практически сразу же после изобретения светодиода, и помогло в этом полезное свойство кристаллов арсенида галлия — совершенная спайность. Этим понятием называют способность некоторых кристаллов легко раскалываться по параллельным плоскостям, совпадающим с определенными кристаллографическими гранями. Если кристалл совершенен, имеет низкую плотность дислокаций и лишен блочного, мозаичного строения, эти сколы совершенно плоски, атомно гладки (за исключением отдельных ступеней) и абсолютно параллельны друг другу. А в силу высокого показателя преломления эти грани хорошо отражают свет. Эти два параллельных скола, перпендикулярные плоскости активной зоны диода, и образуют резонатор. Оптические свойства двойной гетероструктуры, являющейся по сути волноводом, способствуют снижению потерь света в резонаторе. В современных лазерных диодах волновод формируют в кристалле умышленно, вводя дополнительные слои с более высоким показателем преломления относительно активного слоя.

В типичном лазерном диоде толщина активной зоны, в которой происходит генерация света, лежит в субмикронной области. А ее ширина может составлять от единиц микрон в маломощных (от долей милливатта до 100-200 мВт) одномодовых лазерах, до 250-1000 мкм в многомодовых излучателях с выходной мощностью, достигающей десятка ватт. И на выходе из кристалла, на зеркале резонатора, плотность мощности достигает чудовищных значений. Даже в обычной лазерной указке, при выходной мощности 1-5 мВт это свыше 100 кВт/см2, а в более мощных лазерных диодах плотность излучения может превышать 20МВт/см2. При такой облученности легко испаряется и превращается в плазму сталь, а грань кристалла выдерживает ее исключительно в силу своего идеального совершенства, из-за которого световая энергия большей частью проходит через поверхность, не поглощаясь и не нагревая ее.

Катастрофа на зеркалах

Столь высокие уровни плотности излучения на зеркалах делают их чрезвычайно уязвимыми. Стоит возникнуть малейшему дефекту, нанощербинке размером в несколько параметров решетки,– буквально, сместиться нескольким атомам — и лучевая прочность зеркала резко упадет. Вырвать атом из атомно-гладкой поверхности сложно, его держат связи, образованные множеством других атомов, но стоит удалить один, соседние оторвать становится гораздо проще. Кроме того, дефект поглощает свет и греется, а его рост приводит к усилению нагрева, в результате чего он лавинообразно разрастается, превращаясь в кратер, перекрывающий значительную часть сечения пучка, а то и канал, уходящий вглубь кристалла и разрушающий, сплавляющий структуру активной зоны, и лазер выходит из строя, что проявляется скачкообразным прекращением генерации, а иногда — резким падением излучаемой мощности, при этом пучок становится неоднородным, пятнистым. Такой механизм называется катастрофическим оптическим повреждением (COD — Catastrophic optical damage).

Важно то, что для возникновения зародыша достаточно превышения мощности на несколько наносекунд. И раз начавшись, COD будет развиваться, даже если превышение допустимой мощности излучения не будет продолжаться, при номинальной и даже пониженной мощности.

Конечно, существуют и другие сценарии гибели лазерного диода — как в виде постепенной деградации, так и катастрофической — связанные с образованием скоплений дислокаций, так называемых “темных нитей” в толще активной зоны, с термодиффузионным “размытием” гетеропереходов, с термическим разрушением активной зоны протекающим через нее током. Но во многих случаях именно COD является лимитирующим фактором, определяющим “точку выхода из строя”. Не в последнюю очередь это связано со скоростью его развития: кратковременный, наносекундной длительности, запредельный бросок излучаемой мощности может быть обусловлен переходными процессами при включении или выключении, и даже слабым разрядом статического электричества. Из-за этого лазерные диоды, особенно маломощные, являются одними из наиболее подверженных статическому электричеству компонентов. И способствует этому еще одно свойство лазерных диодов.

Дважды нелинейность

И начинающему радиолюбителю известно, что светодиод нельзя подключать к источнику напряжения. Крутая прямая ветвь ВАХ приводит к резким изменениям тока при небольших колебаниях напряжения, изменениях температуры, в том числе и при саморазогреве. ВАХ лазерного диода совершенно аналогична, но это усугубляется тем, что зависимость выходной мощности от тока тоже очень напоминает прямую ветвь ВАХ: до определенного порогового тока выходная мощность очень мала (лазерный диод светится, как светодиод, генерации нет), а после его достижения выходная мощность стремительно растет, взлетая от нуля до максимально допустимой мощности при изменении тока на 20-30%. А если это помножить на крутизну ВАХ, окажется, что росту мощности от нуля до предельно допустимой величины зачастую соответствует изменение напряжения на единицы процентов!

Ну хорошо, никто не будет питать лазерный диод прямо от батарейки. Даже в дешевой китайской указке он будет включен через резистор, а в любой серьезной конструкции для его питания будет предусмотрен стабилизатор тока. Но является ли такой стабилизатор на самом деле источником тока, или это источник напряжения, которое с помощью цепи обратной связи регулируется так, чтобы поддерживать ток неизменным?

Какая разница? — спросите вы. А вот какая. Если мы возьмем операционный усилитель и охватим его обратной связью по напряжению на токоизмерительном резисторе, мы получим, казалось бы, практически идеальный источник тока. Но на самом деле выход ОУ — это источник напряжения. И источником тока его делает активная работа ОУ. Как только ОУ не успевает — источник тока перестает быть таковым. В частности, когда эту схему включают, на фронте может образоваться выброс, и это будет выброс напряжения. Соответствующий ему бросок тока на нелинейной нагрузке окажется значительно выше, не говоря уже о выбросе излучаемой лазером мощности.

Температура

Не следует забывать о том, что у лазерного диода выходная мощность зависит не только от тока, но и от температуры. Причем, она может неожиданно сильно вырасти при ее понижении, если мы не снизим при этом ток! При падении температуры падает и пороговый ток — в среднем на 1,5% на °С, а вместе с ним ампер-ваттная характеристика смещается влево параллельно самой себе, — так что падение температуры с 25 до -5°С эквивалентно увеличению тока в полтора раза. Чтобы снизить нестабильность выходной мощности и избежать выхода лазера из строя при снижении температуры, нужно либо вводить термокомпенсацию, либо воспользоваться встроенным в корпус излучателя фотодиодом для стабилизации выходной мощности. При этом нужно учитывать, что большинство производителей лазерных диодов никак не нормируют и не гарантируют ни характеристики этого фотодиода, ни его стабильность.

Есть еще другой путь — термостатирование. Обычно его делают с помощью маленькой термоэлектрической батареи-холодильника, встраиваемой непосредственно в корпус лазерного диода вместе с терморезистором. Так поступают обычно в том случае, если нужно стабилизировать не только мощность, но и длину волны излучения, которая тоже зависит от температуры (например, это важно при накачке неодим-ванадат-иттриевого лазера — полоса возбуждения узкая, а у лазерного диода на 808 нм в диапазоне 0-30°С длина волны “уходит” на 10 нм), а также когда имеют дело с мощными лазерами, когда сложно организовать обратную связь по излучению, да и снизить рабочую температуру полезно — и для срока службы, и для КПД.

Как бороться?

Цепь защиты ЛД, срисованная с внутренностей одного из научных приборов, который мне приходилось ковырять. Лазерный диод, к которому наглухо припаяна эта схема, можно спокойно отключить от драйвера, не боясь, что в висящий в воздухе разъем прилетит статика.

Какой же выход? Проектировать драйвер таким образом, чтобы избежать бросков напряжения, тока накачки и, следовательно, мощности. Запирать выход на время переходных процессов при включении (например, закорачивая лазерный диод нормально замкнутым ключом), при возможности, если не нужна быстрая модуляция излучения, организовывать плавный старт, вводить балластное сопротивление между выходом драйвера и лазерным диодом, либо элементы, замедляющие нарастание напряжения на нем и тока — RC-цепочку, последовательную индуктивность. Если нужно запустить лазерный диод на столе, от лабораторного БП — следует включить последовательно с ним балластное сопротивление на 10-100 Ом (в зависимости от рабочего тока излучателя), а параллельно диоду — малоиндуктивный конденсатор на 0,01 мкФ. Удобно также ввести в эту цепь резистор на 1 или 10 Ом для измерения тока, протекающего в цепи. При этом недопустимо подключать эту схему к уже включенному блоку питания. Сначала следует вывести напряжение в ноль, а затем плавно, контролируя ток в цепи и выходное излучение, поднять напряжение сначала до порога генерации, а затем до достижения нужной выходной мощности. Выключаем в обратном порядке. При этом нужно убедиться в том, что регуляторы ЛБП не дают “шорохов” при регулировании. В этом смысле лучше подходят цифровые программируемые ЛБП, но и их надо проверять на наличие “иголок” при переходе на следующий уровень напряжения.

Важным моментом является и измерение выходной мощности. “На глаз” ее не определишь, а ошибка приведет к тому, что лазерный диод быстро, за несколько часов или дней, или даже моментально — придет в негодность. Существуют специальные измерители мощности лазерного излучения — от старого советского ИМО-2Н — хорошего, точного, но чересчур громоздкого, до современных приборов различных производителей, цена которых вызывает в памяти отрывок из известной книги для начинающих радиолюбителей:

  • Н. — Просто чудесное устройство. Я немедленно куплю себе стробоскопический осциллограф.
  • Л. — Я советую тебе несколько повременить, потому что сейчас такой осциллограф стоит в 2–3 раза дороже спортивного автомобиля.
  • Н. — Пока я довольствуюсь самой маленькой микролитражкой и поэтому немного подожду.

Впрочем, сделать, а главное — откалибровать подобный измеритель в домашних условиях не составляет большого труда. Его основа — обыкновенный элемент Пельтье. Его нужно закрепить на радиаторе, зачернить поверхность, на которую будет падать излучение, и подключить к хорошему милливольтметру. Для калибровки к чувствительной поверхности временно приклеиваются несколько SMD-резисторов, через которые пропускается известный ток, и строится градуировочная зависимость термо-ЭДС от мощности, рассеиваемой на них. Но это тема отдельной статьи. А из промышленных приборов самым доступным, пожалуй, является Sanwa LP1, сделанный на базе фотодиода и по этой причине требующий обязательного введения поправки, зависящей от длины волны излучения. Его предельная измеряемая мощность невысока — 40 мВт. С другой стороны, самодельный измеритель на базе элемента Пельтье начинает хорошо работать при падающей мощности не менее пары-тройки десятков милливатт.

И последнее: я выше упоминал, что лазерные диоды — одни из самых чувствительных к статическому электричеству приборов. Импульс тока при статическом разряде — короткий, десятки наносекунд, но в пике может достигать десятков и сотен миллиампер. Так, при статическом потенциале всего 30 В на человеческом теле он в неблагоприятных условиях (влажные руки) доходит до 50-60 мА, чего достаточно для надежного вывода из строя пятимилливаттных лазеров с рабочим током в 20-30 мА. Потенциала в 200-300 В хватает, чтобы спалить таким путем и лазер из DVD-RW привода. Наличие COD-механизма воздействия статики не отменяет чувствительности к электростатическим разрядам структуры, состоящей из множества слоев, среди которых есть слои толщиной в единицы нанометров. Поэтому храним ЛД в антистатической таре — проводящей пене, фольге и т.п., перед монтажом — перемыкаем выводы проволочкой, пользуемся только заземленным паяльником и т.п.

Немного практических схем

Простая схема драйвера для лазерных диодов, стабилизирующего ток, была опубликована в журнале “Радио”, 1986, №11, с. 61 в статье об использовании лазерных диодов серии ИЛПН. Я привожу эту схему так, как она опубликована и скажу лишь то, что она легко адаптируются к современным ОУ, в том числе с однополярным питанием. Здесь хорошо работает, например, мой любимый ОУ AD8605. Приведенная там же схема драйвера со стабилизацией выходной мощности рассчитана на подключение внешнего фотодиода (встроенные в лазерные диоды фотодиоды имеют, как правило, один общий вывод с лазерным диодом) и, по-видимому, содержит ошибки.

Существуют удобные, но к сожалению, дороговатые микросхемы серии iC-WK для построения драйверов лазерных диодов, требующие лишь нескольких внешних элементов и содержащие не только цепи стабилизации тока и мощности, но и цепи защиты от опасных импульсов. Схема позволяет подключать лазерные диоды с любой полярностью фотодиода относительно лазерного диода и обеспечивает ток до 350 мА при напряжении питания от 3 до 15 В.

Другая известная микросхема интегрированного драйвера ЛД — MAX3263, ориентированная на передачу данных по оптоволоконным линиям, но также позволяющая стабилизировать ток и мощность для любых целей. К подобным узкоспециализированным микросхемам можно отнести и 65ALS543, применяемую в лазерных принтерах. Впрочем, последний прибор может быть целесообразно применить, если вы решите применить лазер для, например, экспонирования фоторезиста, так как он, наряду с поддержанием постоянной мощности, позволяет быстро включать-выключать излучение. Есть хорошая статья о работе этой микросхемы, опубликованная на сайте технического журнала для сотрудников сервисных служб “Мир периферийных устройств ПК” http://www.mirpu.ru/print/38-laserprint/127-micro65als543.html. Ниже — типичная схема включения этой микросхемы.

Кстати, примененные здесь и в iC-WK выходные каскады, построенные, как токовое зеркало, устраняют вышеописанное поведение источников тока во время переходных процессов, как источников напряжения, повышая надежность лазера, в том числе в процессе быстрой модуляции излучения.

* * *

Не у всех лазерных диодов “живучесть” ограничивается выходной мощностью. Некоторые диодные лазеры обладают столь малой дифференциальной эффективностью (наклоном ампер-ваттной характеристики), что они не достигают порога COD раньше, чем выйдут из строя от перегрева слишком большим током. Таковы многие зеленые лазерные диоды на 520 нм, некоторые мощные синие лазерные диоды. В меньшей степени подвержены COD из-за большой площади зеркал резонатора и VCSEL лазеры. Но у большинства распространенных типов полупроводниковых лазеров именно выходная оптическая мощность ограничивает область безопасной работы в непрерывном режиме.

Автор: @jar_ohty
Источник: https://habr.com/

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here