Суперлюминесцентный диод

Суперлюминесцентный диод ( SLED или SLD источник света с краевым излучением, ) — это полупроводниковый основанный на суперлюминесценции . Он сочетает в себе высокую мощность и яркость лазерных диодов с низкой когерентностью обычных светодиодов . Его оптическая полоса пропускания излучения, также описываемая как полная ширина на половине максимума, может находиться в диапазоне от 5 до 750 нм. ^[1]

История

Впервые о суперлюминесцентном диоде сообщили Курбатов и др. (1971) ^[2]^[3] и Ли, Беррус и Миллер (1973). ^[4]^[3] К 1986 году доктор Джерард А. Альфонс из RCA Laboratories (ныне SRI International ) изобрел новую конструкцию, позволяющую использовать суперлюминесцентные диоды высокой мощности. ^[5] Этот источник света был разработан в качестве ключевого компонента в следующих поколениях волоконно-оптических гироскопов , низкокогерентной томографии для медицинской визуализации и перестраиваемых лазеров с внешним резонатором для применения в волоконно-оптической связи . В 1989 году технология была передана компании GE-RCA в Канаде , которая стала подразделением EG&G . Суперлюминесцентные светоизлучающие диоды также иногда называют суперлюминесцентными диодами, суперлюминесцентными диодами или суперлюминесцентными светодиодами .

Принципы работы

Суперлюминесцентный светоизлучающий диод, как и лазерный диод, основан на электрически управляемом pn-переходе , который при смещении в прямом направлении становится оптически активным и генерирует усиленное спонтанное излучение в широком диапазоне длин волн . Пиковая длина волны и интенсивность SLED зависят от состава активного материала и уровня тока инжекции. SLED спроектированы так, чтобы иметь высокое однопроходное усиление спонтанного излучения, генерируемого вдоль волновода , но, в отличие от лазерных диодов, недостаточную обратную связь для достижения лазерного действия. Это очень успешно достигается за счет совместного действия наклонного волновода и граней с антиотражающим покрытием (ARC).

Когда подается электрическое прямое напряжение, генерируется инжекционный ток в активной области SLED. Как и большинство полупроводниковых приборов, SLED состоит из положительной ( p-легированной ) секции и отрицательной ( n-легированной ) секции. Электрический ток будет течь от p-секции к n-секции и через активную область, которая находится между p- и n-секцией. Во время этого процесса свет генерируется посредством спонтанной и случайной рекомбинации положительных (дырки) и отрицательных ( электроны ) электрических носителей, а затем усиливается при движении по волноводу SLED.

Pn-переход полупроводникового материала СЛЭД устроен таким образом, что электроны и дырки имеют множество возможных состояний ( энергетических зон ) с разными энергиями. Следовательно, рекомбинация электрона и дырки генерирует свет с широким диапазоном оптических частот , т.е. широкополосный свет.

Характеристики выходной мощности идеального SLED можно описать с помощью простой модели, не принимая во внимание спектральные эффекты и рассматривая как равномерное распределение плотности носителей, так и нулевые отражения от граней.

$P_{out}={\frac {h}{c}}\cdot \nu \cdot \Pi \cdot R_{sp}{\frac {\exp[(g-\alpha )L]-1}{g-\alpha }}$

где h — постоянная Планка , ν — оптическая частота, Π — размер оптической моды , R _{sp —} скорость спонтанного излучения в направляемую моду, g — модальный коэффициент усиления , α — нерезонансные оптические потери, L — длина активной канал и c скорость света .

Таким образом, выходная мощность линейно зависит от скорости спонтанного излучения и экспоненциально от оптического усиления. Очевидно, что для получения высокой выходной оптической мощности требуется высокий модальный коэффициент усиления.

Основные характеристики

Зависимость мощности от тока

Общая оптическая мощность , излучаемая SLED, зависит от тока возбуждения. В отличие от лазерных диодов, интенсивность выходного сигнала не имеет резкого порога, а постепенно увеличивается с ростом тока. Мягкий перегиб на кривой зависимости мощности от тока определяет переход между режимом, в котором доминирует спонтанное излучение (типичное для светодиодов поверхностного излучения), и режимом, в котором доминирует усиленное спонтанное излучение (т.е. суперлюминесценция). Даже если выходная мощность основана на спонтанном излучении, следует отметить, что механизм усиления влияет на состояние поляризации излучаемого излучения способом, который связан со структурой SLED и условиями эксплуатации.

Максимальное значение тока, обеспечивающее безопасную работу устройства, зависит от модели и составляет от 70 мА (для SLED малой мощности) до 500 мА для самых мощных устройств.

Центральная длина волны и оптическая полоса пропускания

Оптическая мощность, излучаемая SLED, распределяется в широком спектральном диапазоне. Двумя полезными параметрами, которые связаны с распределением плотности мощности на разных длинах волн, являются оптическая полоса пропускания (BW) и пиковая длина волны. $\lambda$ _пик . Первый определяется как полная ширина на половине высоты (FWHM) кривой зависимости плотности мощности от длины волны при номинальных рабочих условиях, тогда как последний соответствует длине волны с наибольшей интенсивностью. Центральная длина волны , $\lambda$ _центр определяется как центральная точка между двумя точками на полувысоте спектральной кривой; она может отличаться от пиковой длины волны, поскольку связана с асимметрией спектра.

Типичные значения для модулей SLED составляют ширину полосы от 5 до 100 нм, а центральные длины волн охватывают диапазон от 400 до 1700 нм. Однако существует компромисс между максимальной выходной мощностью и полосой пропускания, причем последняя больше для устройств с более низкой выходной мощностью.

Спектральная пульсация

Спектральная пульсация является мерой изменения спектральной плотности мощности, которое можно наблюдать при небольшом изменении длины волны. Его можно обнаружить с помощью анализаторов оптического спектра высокого разрешения и объяснить остаточной отражательной способностью граней чипа и соединительного волокна. Спектральная пульсация более заметна в мощных устройствах и в основном в районе пиковой длины волны, где коэффициент усиления устройства выше. В некоторой степени он всегда присутствует, но нежелателен, поскольку оказывает сильное влияние на свойства когерентности SLED (см. раздел « Длина когерентности »).

Некоторые SLED некоторых производителей демонстрируют чрезвычайно низкое значение пульсаций даже на самых высоких уровнях мощности. Чрезмерный уровень оптического обратного отражения может вызвать неожиданные нарушения спектрального распределения SLED, которые не следует путать с пульсацией. Поэтому во время работы важно тщательно ограничивать обратную связь от любого дополнительного оборудования.

поляризация

Как описано выше, суперлюминесцентные светодиоды основаны на генерации и усилении спонтанного излучения в полупроводниковом волноводе. Структура и состав материала, использованного для изготовления чипа SLED, влияют на усиление излучения во время распространения и приводят к различным коэффициентам усиления для разных ориентаций электрического поля ( усиление, зависящее от поляризации ). СИД, работающие в диапазоне длин волн 1300 и 1400 нм, в основном основаны на объемном материале и кристаллической структуре, характеризующихся низкой поляризационной зависимостью усиления. Напротив, устройства, работающие в диапазоне 1550 и 1620 нм, в основном используют активную область квантовой ямы (КЯ), которая имеет сильное поляризационно-зависимое усиление. Оптическое поле, излучаемое чипами SLED, представляет собой комбинацию неполяризованного спонтанного излучения и усиленного излучения и поэтому имеет определенную степень поляризации (DOP).

Полезной величиной, которая описывает поляризационные характеристики излучения SLED, является коэффициент затухания поляризации (PER). Это соотношение между максимальной и минимальной интенсивностью, измеренной после вращающегося линейного поляризатора.

Коэффициент затухания поляризации объемных чипов составляет около 8–9 дБ, тогда как для чипов с квантовыми ямами он может достигать 15–20 дБ. Когда чипы SLED подключаются к волокнам пигтейла, изгиб и намотка пигтейла обычно изменяют состояние поляризации на выходе волокна. Модули, оснащенные оптоволоконными пигтейлами с сохранением поляризации (PM), имеют высокие значения (>15 дБ) коэффициента затухания поляризации, не зависящие от изгиба волокна. Коэффициент поляризационного гашения излучения зависит также от тока возбуждения, имея наибольшее значение при максимальном токе возбуждения. Напротив, состояние поляризации на выходе стандартного оптоволоконного пигтейла SM является произвольным, но его можно просто изменить с помощью контроллера поляризации, и можно легко достичь коэффициента ослабления около 10 дБ.

Относительная интенсивность шума (RIN)

На оптическую мощность, излучаемую полупроводниковыми активными устройствами, всегда влияют флуктуации (шум интенсивности), вызванные спонтанным излучением. Когда излучаемая мощность обнаруживается широкополосным квадратичным детектором, шум интенсивности преобразуется в флуктуации тока, а измеренный фототок будет включать в себя постоянный член I ₀ , пропорциональный средней оптической интенсивности, и зависящий от времени член I _n , связанный с флуктуациями интенсивности.

Спектральное распределение шумового члена в фототоке можно измерить с помощью анализатора электрического спектра в радиочастотном (РЧ) диапазоне, который ограничен электрической полосой пропускания используемого детектора. Результирующий спектр шума напрямую связан с шумом оптической интенсивности и в целом зависит от радиочастоты. $\omega$ .

В результате этого измерения можно оценить полезный параметр, который дает количественную информацию о шуме оптического источника: это относительная интенсивность шума (RIN), то есть соотношение между спектральной плотностью мощности шумового тока I _n , измеренной по заданной ширины полосы и квадрата среднего фототока I ₀

$RIN(\omega )=<I_{n}^{2}(\omega )>/<I_{0}^{2}>$

Таким образом, RIN представляет собой соотношение между мощностью шума и средней мощностью после обнаружения; используемая единица измерения — дБ/Гц. Типичные значения, измеренные для SLED в диапазоне частот от постоянного тока до 500 МГц, приведены в таблице.

Относительные показатели интенсивности шума в (дБ/Гц) нескольких модулей SLED при различных уровнях тока возбуждения
Центральная длина волны SLED	100 мА	150 мА	200 мА	300 мА	400 мА	500 мА
1550 нм	−121.5		−123.5
1550 нм		−124.5	−127.5	−128.0	−129.5	−130.0
1300 нм		−123.5	−125.0	−126.5	−127.0	−127.5
1300 нм		−124.0	−124.5
1600 нм		−123.0		−123.0

Они зависят от инжекционного тока (вернее, от выходной мощности) и от диапазона ВЧ частот. Самые высокие измеренные значения никогда не превышают −119 дБ/Гц для частот выше 5 ГГц, тогда как самое низкое значение (около 127 дБ/Гц) достигается наиболее мощными SLED в окне 1310 нм и в диапазоне частот, ограниченном значениями менее чем 500 МГц. Считается, что частотная зависимость RIN связана с эффектами пространственной корреляции, вызванными насыщением усиления.

Следует отметить, что хотя использование узкополосных оптических фильтров перед детектором обычно приводит к уменьшению обнаруживаемого шума, относительная интенсивность шума SLED может увеличиваться. Такое поведение, присутствующее в основном в мощных SLED, аналогично тому, что наблюдается в многомодовых лазерных диодах Фабри-Перо, где фильтрация выявляет наличие шума разделения мод (в основном на низких радиочастотах) из-за конкуренции между несколькими модами генерации.

Характеристики модуляции

Модуляции интенсивности SLED можно легко добиться за счет прямой модуляции тока смещения. Модули SLED не содержат внутри согласующих резисторов , поскольку при работе при относительно высоких токах потребуется чрезмерное охлаждение для компенсации тепловыделения резистора. Для достижения наилучших характеристик предпочтительнее использовать внешнюю сеть, которая уменьшает рассогласование импедансов между усилителем-драйвером, для которого обычно требуется нагрузка 50 Ом, и низким сопротивлением микросхемы (несколько Ом). Как показано на рис. , можно легко достичь времени отклика около 1 нс, коэффициента затухания 27 дБ и полосы пропускания 3 дБ, превышающей 200 МГц.

Аналогичные результаты можно получить и для прямой модуляции SLED в корпусе «бабочка», как показано на рис. Оптически индуцированная модуляция позволяет использовать возможности высокоскоростной модуляции чипа, когда на них не влияют паразитные компоненты корпуса; как показано на рис. , в этом случае может быть достигнута полоса пропускания на 3 дБ, превышающая 10 ГГц, также для корпусированных SLED.

Длина когерентности

SLED представляют собой оптические источники с достаточно широкой оптической полосой пропускания. Тем, что они отличаются как от лазеров, имеющих очень узкий спектр, так и от источников белого света, которые имеют гораздо большую ширину спектра. Эта характеристика главным образом отражается в низкой временной когерентности источника (то есть в ограниченной способности излучаемой световой волны сохранять фазу во времени). Однако SLED могут демонстрировать высокую степень пространственной когерентности, а это означает, что их можно эффективно объединять в одномодовые оптические волокна . Некоторые приложения используют преимущества низкой временной когерентности источников SLED для достижения высокого пространственного разрешения в методах визуализации. Длина когерентности L _c — это величина, часто используемая для характеристики временной когерентности источника света. Это связано с разницей хода между двумя плечами оптического интерферометра , в которых световая волна все еще способна генерировать интерференционную картину. Для источников, имеющих гауссово спектральное распределение , значение L _c обратно пропорциональна спектральной ширине BW, так что полная ширина на полувысоте (FWHM) спектральной плотности мощности может быть связана с L _c через уравнение

$L_{c}=\lambda ^{2}/BW$ ,

где $\lambda$ – центральная длина волны испускаемого излучения. Например, ожидается, что SLED, работающий на длине волны около 1300 нм и с оптической полосой пропускания 100 нм, будет иметь длину когерентности около 17 мкм.С практической точки зрения более подходящим является определение, не зависящее от спектрального распределения (негауссового спектра) источника. Если для оценки длины когерентности используется оптический интерферометр (см. рис. 11 а и б), полезной величиной является значение видимости на полувысоте, то есть относительная амплитуда [(I _пик - I _долина ) / (I _пик + I _долина )] вариаций интенсивности, оцененных как функция дисбаланса интерферометра.

SLED демонстрируют большую спектральную ширину даже на самых высоких уровнях мощности, поэтому легко достигаются соответствующие значения FWHM видимости менее 20 мкм.

Наличие чрезмерной спектральной пульсации (см. раздел «Спектральная пульсация») спектральной плотности мощности приводит к появлению боковых лепестков ) на кривой видимости, которые могут ограничивать как пространственное разрешение, так и чувствительность измерительных систем на основе SLED. SLED некоторых производителей имеют очень низкие боковые лепестки и позволяют проводить измерения в широком динамическом диапазоне.

Технические проблемы

С одной стороны, SLED представляют собой полупроводниковые устройства, оптимизированные для генерации большого количества усиленного спонтанного излучения (ASE). Для этого они включают в себя секции усиления высокой мощности, в которых затравочное спонтанное излучение усиливается с высокими коэффициентами усиления 30 дБ или более.

С другой стороны, у SLED отсутствует оптическая обратная связь, поэтому лазерное воздействие невозможно. Оптическая обратная связь, возникающая в результате обратного отражения света от оптических компонентов, таких как, например, разъемы, в резонатор, подавляется посредством наклона граней относительно волновода и может быть дополнительно подавлена с помощью просветляющих покрытий. Избегают образования резонаторных мод и, таким образом, выраженных структур в оптическом спектре и/или сужения спектра.

Поэтому вполне естественно, что даже небольшое количество обратных отражений усиливается внутри чипа SLED аналогичным образом, создавая уровни оптической мощности в несколько десятков милливатт на задней грани, что может разрушить устройство SLED. SLED следует тщательно защищать от внешней оптической обратной связи. Даже небольшие уровни обратной связи могут уменьшить общую полосу пропускания излучения и выходную мощность, а иногда даже привести к паразитной генерации, вызывая узкие выбросы в спектре излучения. Некоторые устройства могут даже быть повреждены оптической обратной связью. Обратите внимание, что френелевское отражение от перпендикулярно сколотого конца волокна уже значительно превышает допустимый уровень обратной связи. Если обратных отражений избежать невозможно, необходимо установить оптический изолятор непосредственно за модулем SLED. Изолятор обеспечивает низкие вносимые потери от SLED к волокну и высокие вносимые потери в обратном направлении. Однако на рынке представлены светодиоды SLED от некоторых производителей компонентов, имеющие искробезопасную конструкцию и высокую устойчивость к обратным оптическим отражениям.

В той же степени, что и лазерные диоды, суперлюминесцентные светодиоды чувствительны к электростатическим разрядам и скачкам тока , например, из-за плохо спроектированной электроники драйвера. При выборе источника тока для работы SLED особое внимание следует уделять характеристикам низкого уровня шума. Опять же, некоторые поставщики предлагают электронику драйверов, специально разработанную для удовлетворения, с одной стороны, требований высокой мощности и низкого уровня шума, а с другой стороны, защиты источников света от разрядов и скачков напряжения. При бережном обращении и правильной эксплуатации в соответствии со спецификациями SLED могут легко прослужить десятки тысяч часов работы.

Доступность

Благодаря вышеупомянутой оптимизированной конструкции оптического резонатора светодиоды SLED демонстрируют высокую выходную мощность, широкую полосу пропускания и низкую остаточную спектральную пульсацию, что делает их идеальным источником света для ряда приложений. В зависимости от требований и спецификаций приложения устройства SLED доступны в различных корпусах и форм-факторах, охватывающих широкий диапазон длин волн и уровней мощности. В комплект поставки входят охлаждаемые 14-контактные двухрядные (DIL) и бабочки (BTF) модули или недорогие неохлаждаемые устройства TOSA и TO-56. Модули SLED включают в себя суперлюминесцентные светодиоды на основе фосфида индия (InP), работающие в диапазоне высоких длин волн (от 1100 до 1700 нм), а также арсенида галлия устройства на основе (GaAs), работающие в диапазоне от 630 до 1100 нм. Использование конструкций на основе нитрида галлия (GaN) открывает новые возможности для SLED в ультрафиолетовом и синем спектральном диапазоне.

SLED коммерчески доступны у ряда поставщиков, например, Denselight (Сингапур), EXALOS (Швейцария), InPhenix (США), Superlum (Ирландия) или Thorlabs Quantum Electronics (США). Предлагаемый портфель продуктов сильно варьируется от поставщика к поставщику в зависимости от длины волны, мощности и полосы пропускания. Другие примеры включают Zeiss Plex Elite 9000 SLD при длине волны 750 нм и SLD LD-PD inc при длине волны 1480 нм и 1530 нм.

Приложения

SLED находят применение в ситуациях, требующих высокой интенсивности и пространственной когерентности , но когда потребность в широком и плавном спектре оптического выходного сигнала делает лазерные диоды непригодными. Некоторые примеры включают оптическую когерентную томографию , интерферометрию белого света , оптическое зондирование и оптоволоконные гироскопы .

Ссылки

^ Оой, Б.С.; Ча, Д.; Нг, ТК; Маджид, Массачусетс; Хан, МЗМ (01 октября 2013 г.). «Одновременное квантовое штриховое излучение в чирпированном суперлюминесцентном диоде со спектральной полосой пропускания> 700 нм». Оптические письма . 38 (19): 3720–3723. дои : 10.1364/OL.38.003720 . hdl : 10754/312253 . ISSN 1539-4794 . ПМИД 24081035 .
^ «Исследование суперлюминесценции арсенид-галлиевого диода» . Исследовательские ворота . Проверено 20 января 2019 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Миллер, SE; Ли, Тингье; Маркатили, EAJ (1973). «Часть II: Соображения об устройствах и системах». Труды IEEE . 61 (12): 1726–1751. дои : 10.1109/PROC.1973.9362 . ISSN 0018-9219 .
^ Ли, Тянь-Пей; Буррус, К.; Миллер, Б. (1973). «Двухгетероструктурный диод усиленного спонтанного излучения (суперлюминесцентный) с полосковой геометрией». Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (8): 820–828. дои : 10.1109/JQE.1973.1077738 . ISSN 0018-9197 .
^ Альфонс, Джорджия; Гилберт, Д.Б.; Харви, МГ; Эттенберг, М. (1988). «Мощные суперлюминесцентные диоды». Журнал IEEE по квантовой электронике . 24 (12): 2454–2457. дои : 10.1109/3.14376 . ISSN 0018-9197 .

Внешние ссылки

в Энциклопедии лазерной физики и технологий Запись
Краткий обзор принципов работы устройства и параметров производительности (PDF).

[1] Оой, Б.С.; Ча, Д.; Нг, ТК; Маджид, Массачусетс; Хан, МЗМ (01 октября 2013 г.). «Одновременное квантовое штриховое излучение в чирпированном суперлюминесцентном диоде со спектральной полосой пропускания> 700 нм». Оптические письма . 38 (19): 3720–3723. дои : 10.1364/OL.38.003720 . hdl : 10754/312253 . ISSN 1539-4794 . ПМИД 24081035 .

[2] «Исследование суперлюминесценции арсенид-галлиевого диода» . Исследовательские ворота . Проверено 20 января 2019 г.

[:0-3] Перейти обратно: ^а ^б Миллер, SE; Ли, Тингье; Маркатили, EAJ (1973). «Часть II: Соображения об устройствах и системах». Труды IEEE . 61 (12): 1726–1751. дои : 10.1109/PROC.1973.9362 . ISSN 0018-9219 .

[4] Ли, Тянь-Пей; Буррус, К.; Миллер, Б. (1973). «Двухгетероструктурный диод усиленного спонтанного излучения (суперлюминесцентный) с полосковой геометрией». Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (8): 820–828. дои : 10.1109/JQE.1973.1077738 . ISSN 0018-9197 .

[5] Альфонс, Джорджия; Гилберт, Д.Б.; Харви, МГ; Эттенберг, М. (1988). «Мощные суперлюминесцентные диоды». Журнал IEEE по квантовой электронике . 24 (12): 2454–2457. дои : 10.1109/3.14376 . ISSN 0018-9197 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]