Суперлюминесцентный диод - Superluminescent diode

А суперлюминесцентный диод (SLED или же SLD) является краевым излучением полупроводник источник света на основе суперлюминесценция. Он сочетает в себе высокую мощность и яркость лазерные диоды с низким согласованность обычных светодиоды. Ширина полосы его излучения составляет 5–700 нм.^[1]

История

О суперлюминесцентном диоде впервые сообщили Курбатов и др. (1971)^[2][3] и Ли, Буррус и Миллер (1973).^[4][3] К 1986 г. Джерард А. Альфонс в RCA Laboratories (сейчас SRI International ), изобрел новую конструкцию, позволяющую создавать суперлюминесцентные диоды большой мощности.^[5] Этот источник света был разработан как ключевой компонент в следующих поколениях волоконно-оптические гироскопы, томография с низкой когерентностью за медицинская визуализация, и настраиваемый внешний резонатор лазеры с приложениями к волоконно-оптическая связь. В 1989 году технология была передана GE-RCA в г. Канада, которая стала подразделением ЯЙЦО. Суперлюминесцентные светодиоды также иногда называют суперлюминесцентными диодами, суперлюминесцентными диодами или суперлюминесцентными диодами. Светодиоды.

Принцип работы

Суперлюминесцентный светоизлучающий диод, как и лазерный диод, основан на электрически управляемом p-n переход который при смещении в прямом направлении становится оптически активным и генерирует усиленное спонтанное излучение по широкому кругу длины волн. Пиковая длина волны и интенсивность SLED зависят от состава активного материала и от уровня тока инжекции. SLED предназначены для однопроходного усиления спонтанного излучения, генерируемого вдоль волновод но, в отличие от лазерных диодов, недостаточная обратная связь для достижения генерации. Это достигается очень успешно за счет совместного действия наклонного волновода и граней с антибликовым покрытием (ARC).

а) Фацетная обратная связь и резонансы длин волн в спектре оптического излучения многомодового лазера Фабри-Перо; б) спектральная плотность мощности суперлюминесцентного светодиода.

Когда подается прямое электрическое напряжение, генерируется инжекционный ток через активную область SLED. Как и большинство полупроводниковых устройств, SLED состоит из положительного (р-допированный ) раздел и отрицательный (n-допированный ) раздел. Электрический ток будет течь из p-секции в n-секцию и через активную область, зажатую между p- и n-секцией. Во время этого процесса свет генерируется за счет спонтанной и случайной рекомбинации положительных (дыры) и отрицательный (электроны ) электрических носителей, а затем усиливается при движении по волноводу SLED.

Pn-переход полупроводник материал SLED спроектирован таким образом, что электроны и дырки имеют множество возможных состояний (энергетические полосы ) с разными энергиями. Следовательно, рекомбинация электрона и дырок генерирует свет с широким диапазоном оптических частоты, т.е. широкополосный свет.

Выходную мощность идеального SLED можно описать с помощью простой модели, не принимая во внимание спектральные эффекты и принимая во внимание как равномерное распределение плотностей несущих, так и нулевое отражение от граней.

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

Где h Постоянная Планка, ν оптическая частота, размер оптический режим, Р_зр то скорость спонтанного излучения в управляемый режим, g модальный прирост, α - нерезонансные оптические потери, L - длина активного канала, 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 высокое модальное усиление.

Основные характеристики

Зависимость мощности от тока

Типичная зависимость оптической мощности волоконно-оптического кабеля от подаваемого тока для модуля SLED с центральной длиной волны 1550 нм, шириной полосы 3 дБ 60 нм и типичной выходной мощностью 1,5 мВт при 20 ° C.

Общая оптическая сила излучаемый SLED зависит от тока привода. В отличие от лазерных диодов, выходная интенсивность не имеет резкого порога, но постепенно увеличивается с током. Мягкий излом на кривой зависимости мощности от тока определяет переход между режимом, в котором преобладает спонтанное излучение (типично для светодиодов с поверхностным излучением), и режимом, в котором преобладает усиленное спонтанное излучение (то есть суперлюминесценция). Даже если выходная мощность основана на спонтанном излучении, следует отметить, что механизм усиления влияет на поляризация состояние выпущенного радиация способом, связанным со структурой SLED и условиями эксплуатации.

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

Центральная длина волны и оптическая ширина полосы

Типичная зависимость плотности оптической мощности от длины волны для модуля суперлюминесцентного диода с центральной длиной волны 1560 нм, работающего при 350 мА.

Оптическая мощность, излучаемая SLED, распределяется в широком спектральном диапазоне. Двумя полезными параметрами, которые связаны с распределением плотности мощности на разных длинах волн, являются оптический пропускная способность (BW) и максимальная длина волны, ${\displaystyle \lambda }$_{вершина горы}. Первый определяется как полная ширина на половине максимальной (FWHM) кривой зависимости плотности мощности от длины волны при номинальных рабочих условиях, в то время как последний соответствует длине волны, имеющей наивысшую интенсивность. В центральная длина волны, ${\displaystyle \lambda }$_центр определяется как центральная точка между двумя точками FWHM спектральной кривой; она может отличаться от максимальной длины волны, так как это связано с асимметрией спектра.

Типичные значения для модулей SLED - ширина полосы пропускания от 5 до 100 нм с центральными длинами волн, охватывающими 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 рябь

Типичная спектральная пульсация SLED с длиной волны 1300 нм при максимальной выходной мощности.

Спектральная пульсация - это мера изменения спектральной плотности мощности, которую можно наблюдать при небольшом изменении длины волны. Его можно обнаружить с помощью оптики высокого разрешения. анализаторы спектра и может быть приписан остаточной отражательной способности граней чипа и связующего волокна. Спектральная пульсация более очевидна в мощных устройствах и в основном около пиковой длины волны, где коэффициент усиления устройства выше. Он всегда присутствует в некоторой степени, но нежелателен, поскольку сильно влияет на свойства когерентности SLED (см. длина когерентности ).

Некоторые SLED от определенных производителей демонстрируют чрезвычайно низкое значение пульсации даже при 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 светоизлучающие диоды основаны на генерации и усилении спонтанного излучения в полупроводниковом волноводе. Структура и состав материалов, используемых для микросхемы SLED, влияют на коэффициент усиления излучения во время распространения и приводят к разным коэффициентам усиления для разных ориентаций электрическое поле (поляризация зависимый прирост). SLED, работающие в диапазоне длин волн 1300 и 1400 нм, в основном основаны на массивном материале и структуре кристалла, которые характеризуются низкой поляризационной зависимостью усиления. Напротив, устройства, работающие в диапазоне 1550 и 1620 нм, в основном используют квантовая яма (QW) активная область, которая имеет сильное усиление, зависящее от поляризации. Оптическое поле, излучаемое микросхемами SLED, представляющее собой комбинацию неполяризованного спонтанного излучения и усиленного излучения, поэтому имеет определенную степень поляризации (DOP).

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

Коэффициент ослабления поляризации массивных чипов составляет около 8–9 дБ, в то время как для кристаллов с квантовыми ямами он может достигать 15–20 дБ. Когда микросхемы SLED соединяются с волокнами гибкого кабеля, изгиб и скручивание гибкого кабеля обычно изменяют состояние поляризации на выходе волокна. Модули, снабженные гибкими выводами волокна с сохранением поляризации (PM), демонстрируют высокие значения (> 15 дБ) коэффициента ослабления поляризации, которые не зависят от изгиба волокна. Коэффициент ослабления поляризации излучения зависит также от управляющего тока, имеющего максимальное значение при максимальном управляющем токе. Напротив, состояние поляризации на выходе стандартного гибкого кабеля SM-волокна 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 с широкой полосой пропускания квадратичный детектор шум интенсивности будет преобразован в колебания тока, а измеренный фототок будет включать в себя постоянный член I₀, пропорциональный средней оптической интенсивности и зависящему от времени члену, I_п, связанных с колебаниями интенсивности.

Спектральное распределение шумового члена в фототоке может быть измерено с помощью анализатора электрического спектра в радиочастотном (RF) диапазоне, который ограничен электрической полосой пропускания используемого детектора. Результирующий спектр шума напрямую связан с шумом оптической интенсивности и, как правило, зависит от радиочастоты, ${\displaystyle \omega }$.

С помощью этого измерения можно оценить полезный параметр, который дает количественную информацию о шуме оптического источника: это относительная интенсивность шума (RIN), то есть отношение спектральной плотности мощности шумового тока I_п, измеренное в заданной полосе пропускания, и квадратное значение среднего фототока, I₀

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

Таким образом, RIN представляет собой отношение мощности шума к средней мощности 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 коэффициенты шума интенсивности в (дБ / Гц) нескольких модулей SLED при разных уровнях управляющего тока

SLED центральная длина волны	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 (точнее от выходной мощности) и от диапазона частот ВЧ. Самые высокие измеренные значения никогда не превышают -119 дБ / Гц для частот выше 5 ГГц, в то время как самое низкое значение (около 127 дБ / Гц) достигается самыми мощными SLED в окне 1310 нм и в диапазоне частот, ограниченном значениями меньше 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 снижению обнаруживаемого шума, шум относительной интенсивности SLED может увеличиваться. Это поведение, присутствующее в основном в сверхмощных SLED, похоже на то, что наблюдается с многомодовыми лазерными диодами Фабри-Перо, где фильтрация делает очевидным наличие шума разделения мод (в основном на низких частотах RF) из-за конкуренции между несколькими модами генерации.

Характеристики модуляции

Модуляция интенсивности SLED можно легко получить путем прямой модуляции тока смещения. Модули SLED не включают оконечные резисторы внутри, потому что при работе с относительно высокими токами потребуется чрезмерное охлаждение для компенсации рассеивания тепла резистором. Для достижения наилучших характеристик некоторая внешняя сеть, которая уменьшает рассогласование импеданса между усилителем драйвера, обычно требует нагрузок 50 Ом, и низкий импеданс микросхемы (несколько Ом) будет предпочтительнее. Как показано на рисунке, время отклика около 1 нс, коэффициент ослабления 27 дБ и ширина полосы 3 дБ, превышающая 200 МГц, могут быть легко достигнуты.

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

Длина когерентности

SLED - это оптические источники с довольно широкой оптической полосой пропускания. В этом они отличаются от обоих лазеров, которые имеют очень узкий спектр, и источников белого света, которые имеют гораздо большую спектральную ширину. Эта характеристика в основном проявляется в низкой временная согласованность источника (что представляет собой ограниченную способность излучаемой световой волны поддерживать фазу во времени). Однако SLED могут демонстрировать высокую степень пространственной когерентности, что означает, что они могут быть эффективно объединены в одномодовые оптические волокна. Некоторые приложения используют преимущества низкой временной когерентности источников SLED для достижения высокой Пространственное разрешение в методах визуализации. Длина когерентности, L_c, - величина, часто используемая для характеристики временной когерентности источника света. Это связано с разницей хода между двумя плечами оптического интерферометр над которым 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

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

куда ${\displaystyle \lambda }$ - центральная длина волны испускаемого излучения. Например, предполагается, что SLED, работающий около 1300 нм и с оптической шириной полосы 100 нм, будет иметь длину когерентности около 17 мкм. С практической точки зрения определение, не зависящее от спектрального распределения (негауссовский спектр) источник больше подходит. Если для оценки длины когерентности используется оптический интерферометр (см. Рис. 11 a и b), полезной величиной является значение FWHM видимости, то есть относительная амплитуда [(I_{вершина горы} - я_Долина) / (I_{вершина горы} + Я_Долина)] вариаций интенсивности, оцененных как функция дисбаланса интерферометра.

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

Наличие чрезмерной спектральной пульсации (см. Раздел «Спектральная пульсация») в спектральной плотности мощности приводит к наличию боковых лепестков) на кривой видимости, которая может ограничивать как пространственное разрешение, так и чувствительность систем измерения на основе SLED. SLED некоторых производителей имеют очень низкие боковые лепестки и позволяют проводить измерения с большим динамическим диапазоном.

Технические проблемы

С одной стороны, SLED - это полупроводниковые устройства, оптимизированные для генерации большого количества усиленное спонтанное излучение (ASE). Для этого они включают секции усиления высокой мощности, в которых спонтанное излучение затравки усиливается с высокими коэффициентами усиления 30 дБ или более.

С другой стороны, в SLED отсутствует оптическая обратная связь, поэтому лазерное воздействие невозможно. Оптическая обратная связь, возникающая в результате обратного отражения света от оптических компонентов, таких как, например, Соединители в полость подавляются за счет наклона граней относительно волновода и могут подавляться дополнительно с помощью антиотражающих покрытий. Исключается образование резонаторных мод и, следовательно, выраженных структур в оптическом спектре и / или сужения спектра.

Поэтому естественно, что даже небольшие обратные отражения усиливаются внутри кристалла SLED аналогичным образом, создавая уровни оптической мощности в несколько десятков милливатт на задней грани, что может разрушить устройство SLED. SLED должны быть тщательно защищены от внешней оптической обратной связи. Даже небольшие уровни обратной связи могут уменьшить общую ширину полосы излучения и выходную мощность, а иногда даже привести к паразитной генерации, вызывая узкие всплески в спектре излучения. Некоторые устройства могут даже быть повреждены оптической обратной связью. Обратите внимание, что отражение Френеля от конца волокна с перпендикулярным сколом уже значительно превышает допустимый уровень обратной связи. Если невозможно избежать обратных отражений, необходимо установить оптический изолятор непосредственно за модулем SLED. Изолятор обеспечивает низкие вносимые потери от SLED к оптоволокну и высокие вносимые потери в обратном направлении. Однако на рынке присутствуют SLED от некоторых производителей компонентов, которые имеют искробезопасную конструкцию с высокой устойчивостью к оптическим обратным отражениям.

В той же степени, что и лазерные диоды, суперлюминесцентные светодиоды чувствительны к электростатические разряды и текущие всплески например от 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 драйвера, специально разработанную для удовлетворения, с одной стороны, требований высокой мощности и низкого уровня шума, а с другой стороны, защиты источников света от разряда и всплесков. При бережном обращении и надлежащей эксплуатации в соответствии со спецификациями SLED могут легко прослужить десятки тысяч часов работы.

Наличие SLED

С помощью упомянутого выше оптимизированного оптический резонатор конструкция SLED демонстрирует высокую выходную мощность, большую 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 или форм-факторах, охватывающих широкий диапазон длин волн и уровней мощности. В комплект входят охлаждаемые 14-контактные модули с двойным входом (DIL) и «бабочка» (BTF) или недорогие неохлаждаемые устройства TOSA и TO-56. Модули SLED включают фосфид индия (InP) суперлюминесцентные светодиоды, работающие в широком диапазоне длин волн (от 1100 нм до 1700 нм), а также арсенид галлия Устройства на основе (GaAs), работающие от 630 до 1100 нм. Использование нитрид галлия Конструкции на основе (GaN) являются прорывом для SLED в ультрафиолетовом и синем спектральном диапазоне.

SLED коммерчески доступны от ряда поставщиков, например Denselight (Сингапур), EXALOS (Швейцария), InPhenix (США), Superlum (Ирландия) или Thorlabs Quantum Electronics (США). Предлагаемый ассортимент продукции сильно различается от поставщика к поставщику в зависимости от длины волны, мощности и полосы пропускания.

Применение SLED

SLED находят применение в ситуациях, требующих высокой интенсивности и пространственная согласованность но там, где потребность в широком, гладком оптическом спектре вывода делает лазерные диоды неподходящий. Некоторые примеры включают оптической когерентной томографии, интерферометрия белого света, оптическое зондирование и волоконно-оптические гироскопы.

внешняя ссылка

• Энциклопедия лазерной физики и техники Вход
• Краткий обзор принципов работы и параметров работы устройства (PDF).

Рекомендации

1. Ooi, B. S .; Cha, D .; Ng, T. K .; Majid, M. A .; Хан, М.З.М. (01.10.2013). «Одновременное квантовое излучение тире в чирпированном суперлюминесцентном диоде типа« тире в ячейке »со спектральной шириной полосы> 700 нм». Письма об оптике. 38 (19): 3720–3723. Дои:10.1364 / OL.38.003720. HDL:10754/312253. ISSN  1539-4794. PMID  24081035.
2. «Исследование суперлюминесценции арсенид-галлиевого диода». ResearchGate. Получено 2019-01-20.
3. Miller, S.E .; Ли, Тинье; Маркатили, Э. А. Дж. (1973). «Часть II: Устройства и системные соображения». Труды IEEE. 61 (12): 1726–1751. Дои:10.1109 / PROC.1973.9362. ISSN  0018-9219.
4. Ли, Тянь-Пей; Burrus, C .; Миллер, Б. (1973). "Диод с усиленной спонтанной эмиссией (суперлюминесцентный)" с двойной гетероструктурой с полосковой геометрией ". Журнал IEEE по квантовой электронике. 9 (8): 820–828. Дои:10.1109 / JQE.1973.1077738. ISSN  0018-9197.
5. Alphonse, G.A .; Гилберт, Д. Б.; Харви, М. Г .; Эттенберг, М. (1988). «Суперлюминесцентные диоды большой мощности». Журнал IEEE по квантовой электронике. 24 (12): 2454–2457. Дои:10.1109/3.14376. ISSN  0018-9197.