Широкополосные источники оптического излучения на основе полупроводниковых суперлюминесцентных диодов

Создание, разработка и производство широкополосных источников оптического излучения является весьма актуальной и перспективной задачей, реализация которой имела бы большое научное и практическое значение в ряде отраслей науки и техники. В последнее время интенсивно развиваются такие научные, а также производственнои практически-прикладные направления как волоконно-оптическая гироскопия, оптическая когерентная томография, интерферометрия «белого света», рефлектометрия, телекоммуникационные системы (например системы со спектральным уплотнением каналов), лазеры с перестраиваемой длиной волны, усовершенствуется различное измерительное и тестовое оборудование — в частности для характеризации пассивных оптических компонентов, волоконно-оптических линий связи. Всё это, в свою очередь, находит широкое применение в различных областях жизнедеятельности.

4* человека — таких как медицина и медицинская диагностика, оптои телекоммуникации, сети, навигация, производство и производственный контроль и мн. др. Общим важнейшим параметром источников оптического излучения в вышеперечисленных областях и направлениях является их широкополосность (малая когерентность). Таким образом, создание новых оптических приборовширокополосных источников оптического излучения, сочетающих в себе такие достоинства как широкий спектр излучения и достаточный уровень выходной мощности (плотности мощности) излучения, чему посвящена, в частности, и данная работа, позволяет значительно расширить потенциальные возможности и границы указанных областей применения. В качестве одного лишь примера, иллюстрирующего данное положение, может служить тот факт, что применение источников оптического излучения, обладающих шириной спектра выше определённого в данном спектральном диапазоне значения, в системах оптической когерентной томографии позволит, получать изображения тканей и органов неразрушающим способом с микронным и субмикронным разрешением [1.

— 6], что является чрезвычайно важным и актуальным в медицинской диагност стике (и, в частности, в офтальмологии, диагностике и исследовании раковых заболеваний).

На сегодняшний день в мире ведутся активные научные разработки аналогичных приборов, часть из которых уже широко представлена на рынке оп-тоэлектроники. При этом данные приборы обладают широким диапазоном и особенностями как выходных параметров излучения (мощность, спектральный состав, форма спектра излучения и др.), так и принципов их действия вообще, а также диапазоном цен. По принципу действия широкополосные источники излучения, известные на данный момент, можно разделить на несколько типов (классов), среди которых можно выделить следующие: ламповые источники «белого света» на основе ламп накаливания и газоразрядных ламп, твердотельные лазеры, работающие в импульсном режиме (пико-, фемтосекундном) и излучающие сверхкороткие импульсы света, обладающие относительно большой мощностью (до сотен милливатт — единиц Ватт усреднённой по времени мощности) и широким спектром (несколько сот нанометров) (например, титан-сапфировый лазер) — суперфлуоресцентные волоконные источники света [7−12], идея которых состоит в легировании оптических волокон редкоземельными металлами (например Ег) и в накачке этих волокон мощным (несколько сот ми-ливатт) полупроводниковым лазером посредством ввода излучения этого лазера в волокно, что приводит к процессам активации атомов легирующей примеси, рекомбинационной флуоресценции и, наконец, к суперфлуоресценции (усилению спонтанного излучения) — полупроводниковые светодиоды [13 — 16], являющиеся источниками собственного (спонтанного, а потому и широкополосного) излучения. Не вдаваясь в детальное описание принципа работы данных приборов, следует остановиться на их преимуществах и недостатках.

Ламповые источники «белого света» на основе ламп накаливания и газоразрядных ламп обладают тем несомненным преимуществом, что их спектр излучения может быть очень широким и «накрывать» одновременно ближнюю ультрафиолетовую, видимую области света, а также распространяться в широком диапазоне инфракрасного (ИК) излучения, что не наблюдается н-и у одного из вышеперечисленных типов приборов. Кроме того, излучение таких источников деполяризовано, приборы абсолютно не чувствительны к обратным связям по излучению, а их цена по сравнению с другими типами широкополосных источников света, рассмотренных ранее, намного ниже. К серьёзным и наиболее важным недостаткам этого типа приборов можно отнести их высокое энергопотребление, принципиальную невозможность получения высокой эффективности ввода излучения в волокно (в особенности одномодовое) — типичные значения мощности из одномодового волокна не превышают нескольких микроватт. Отсюда (а также из-за большой ширины спектра) крайне малыми оказываются значения спектральной плотности мощности излучения (<-60 дБм), что резко ограничивает возможности практического использования этих приборов. Кроме того, ламповые источники достаточно массогабаритны (особенно в сравнении с полупроводниковыми светодиодами и волоконными источниками света).

К безусловным преимуществам приборов второго типа следует отнести возможность получения широкого спектра излучения, достигающего нескольких сот нанометров, и большой мощности излучения (до нескольких сот милливатт, единиц Ватт), в то время как высокая стоимость подобных приборов, их габариты, не гладкая, не идеальная форма спектра, сложность оптических элементов, модулированность по амплитуде оптического сигнала, ограниченный набор спектральных диапазонов, которые можно реализовать с помощью данных приборов делают не всегда выгодным, целесообразным и возможным их использование на практике.

Что касается волоконных источников света, то преимуществами этого типа приборов являются их компактность, возможность получения больших мощностей излучения (типичные значения лежат в пределах от 5.5 до 9дБм), а соответственно и больших спектральных плотностей мощности (больше.

50мкВт/нм), в сотни раз превышающих аналогичные параметры для светодио-дов и в десятки тысяч раз — для ламповых источников «белого света" — к достоинствам также относятся возможность амплитудной модуляции излучения посредством модуляции источника накачки, низкая поляризованность излучения, температурная стабильность спектра излучения. К недостаткам же, как и в первых двух случаях, следует отнести неидеальность формы спектральной кривой, а также чувствительность к обратным связям по излучению, ограниченный набор возможных реализуемых спектральных диапазонов, высокую стоимость источников накачки, а, следовательно, и высокую стоимость данных приборов, кроме того их спектральная полоса заметно уже по сравнению с импульсными твердотельными лазерами.

Переходя к рассмотрению полупроводниковых светодиодов стоит отметить, что создание и производство этих приборов возможно в широком диапазоне длин волн излучения, характерном для полупроводниковых структур, выращиваемых на сегодняшний день (330 — 1750 нм) — этим приборам присуща широкая спектральная полоса излучения (до 170 нм), являющегося, фактически, неусиленным спонтанным излучением, спектр которого ограничивается лишь распределением носителей заряда в валентной зоне и зоне проводимости, характерным для данных температуры, плотности тока накачки и конфигурации активных слоев полупроводниковой структуры. К достоинствам данного типа приборов относятся малые геометрические размеры, низкая стоимость приборов, возможность работы в режиме непрерывной инжекции, отсутствие необходимости внешней накачки, возможность ввода излучения в оптическое волокно. Но при этом достаточно серьёзными недостатками, резко ограничивающими возможности практического использования светодиодов, являются их малая яркость, низкая эффективность ввода излучения светодиодов в оптическое волокно, сильные температурные зависимости как мощностных, так и спектральных параметров излучения.

В приведённую и рассмотренную классификацию необходимо также добавить ещё один тип широкополосных источников оптического излучения, а именно суперлюминесцентные диоды (СЛД). Как известно, излучательная рекомбинация в полупроводниках приводит к спонтанному испусканию света. При определённых условиях это излучение может в дальнейшем поглотиться в объёме полупроводника или же вызвать последующие излучательные переходы и таким образом усилить себя. Последнее возможно при условии преобладания процессов вынужденного излучения над процессами поглощения, что происходит в случае реализации инверсной населённости уровней энергии носителями заряда в полупроводниковой структуре при достаточно высоком уровне возбуждения (накачки). На этом, в частности, основано действие лазерных диодов (ЛД). Неотъемлемой частью ЛД любых типов является оптический резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь по излучению. В СЛД же, наоборот, эту связь стремятся максимально ослабить. Таким образом, суперлюминесцентные диоды (СЛД) — это оптические усилители собственного (спонтанного) излучения, изготавливаемые на основе полупроводниковых гетерост-руктур, аналогичных тем, что используются и для создания ЛД. Выходное же излучение СЛД — это усиленное спонтанное излучение, образующееся в результате актов электронно-дырочной рекомбинации в активных слоях полупроводниковой гетероструктуры.

Привлекательность применения именно полупроводниковых гетерост-руктур в волоконно-оптической технике и оптоэлектронных приборах продиктована такими их достоинствами, как возможность непосредственного преобразования электрического тока в световое излучение, высокий коэффициент полезного действия, компактность конечного продукта на их основе, простота конструкции приборов, возможность прямой модуляции излучения током ин-жекции, широкий диапазон выбора длин волн излучения, возможность непосредственной стыковки излучателя с волоконным световодом, высокая долговечность (надёжность) приборов на их основе и т. д.

Что касается суперлюминесцентных диодов на основе полупроводниковых гетероструктур, то к несомненным достоинствам этого типа, приборов можно отнести и малые геометрические размеры, позволяющие легко интегрировать такие приборы в сложную аппаратуру, и низкую потребляемую мощность, возможность получения большой выходной оптической мощности (а следовательно и спектральной плотности мощности) излучения (до 100 -150 мВт в непрерывном режиме инжекции), значительно превышающей мощности обычного светодиода и сравнимой с мощностями полупроводниковых лазеров, высокую эффективность ввода такого излучения в оптические волоконные световоды, при этом для СЛД характерен широкий спектр излучения (до 170 нм -[17]), сравнимый по ширине со спектром светодиодов, малая спектральная модуляция излучения, обусловленная остаточными (паразитными) отражениями. К достоинствам этого типа приборов можно отнести также возможность получения широкого набора реализуемых спектральных диапазонов, характерных для полупроводниковых структур вообще, возможность амплитудной модуляции излучения посредством модуляции тока накачки, возможность работы прибора в непрерывном режиме при комнатной температуре, долговечность приборов (гарантируемая наработка в режиме поддержания постоянного тока достигает 100 000 часов), а также относительно низкую стоимость данного класса приборов. Недостатками же СЛД являются их высокая чувствительность к обратным связям по излучению, сильные температурные зависимости мощностных, спектральных и поляризационных характеристик излучения [18, 19], выходное излучение СЛД как правило достаточно сильно поляризовано (отношение мощности излучения в ТЕи ТМполяризациях как правило >2), что связано с различием коэффициентов усиления для ТЕи ТМмод и большей вероятностью излучательного межзонного перехода для ТЕполяризации (что в большей степени характерно для квантово-размерных гетероструктур (КРС) — [20 -22]). Но, несмотря на это, благодаря своим достоинствам, а также по соотношению «цена — качество» в сравнении с другими приборами (широкополосными источниками света) СЛД стали на сегодняшний день основными источниками оптического излучения во всех вышеперечисленных, областях применения.

Первые исследования и разработки по созданию полупроводниковых оптических усилителей и суперлюминесцентных диодов начались практически сразу после создания первого полупроводникового инжекционного лазера (середина 60-х годов XX века) [23 — 25]. Промышленное же производство СЛД, имевших конструкцию лазерных диодов с просветлёнными боковыми торцами, относится к 80-м, 90-м годам XX века, когда фактически были решены научно-технические проблемы по созданию СЛД с требуемыми для некогерентной интерферометрии параметрами, а именно достаточной мощностью излучения, широкой спектральной полосой, низкой модулированностью спектра (подавление остаточных паразитных отражений в резонаторе Фабри-Перо, обратных связей по излучению), эффективным вводом излучения в волокно. С этого же момента начинается и процесс интеграции СЛД в качестве источника излучения в реальные датчики промышленного типа.

Опубликованные и известные на данный момент научные работы, статьи и публикации, связанные с исследованиями и разработкой СЛД, по своей тематике и целям исследования можно условно разделить на несколько направлений: это и относительно небольшое количество работ, посвящённых теории и принципам действия СЛД и оптических усилителей, среди которых можно выделить [26 — 35], и ряд работ, связанных с усовершенствованием и модернизацией конструкции СЛД в целях подавления обратных связей по излучению [27, 31 — 33, 36 — 43]- также в отдельные направления можно выделить исследования, связанные с увеличением эффективности, увеличением мощности излучения СЛД [28, 29, 36 — 39, 41 — 54], а также с уширением спектральной полосы излучения [17, 37, 44, 50, 54 — 65]- помимо этого можно выделить ряд работ по исследованию надёжности СЛД [66 — 69], исследованию динамики поведения приборов (их выходных параметров) в зависимости от условий эксплуатации (например, температурные исследования) [18, 19, 70 — 74]- многочисленный ряд исследований и научных публикаций посвящён практическому использованию СЛД, как широкополосных (низкокогерентных) источников излучения, в различных областях применения [1 — 5, 75 — 89 и др.]. Методологически, решение проблем увеличения мощности и уширения спектральной полосы излучения, зачастую идущих параллельно, можно, в свою очередь, разделить на несколько возможных направлений: технологическое направление, связанное с усовершенствованием и варьированием составов активных слоёв гете-роструктур, оптимальным выбором между различными типами гетероструктур [17, 27, 28, 37, 44, 48 — 57, 60, 65, 71, 72]- конструкционное направление, связанное с усовершенствованием и модернизацией активного элемента, волнове-дущего канала излучателя [27, 29, 31, 36, 40 — 46], с нанесением на торцевые грани или интеграцией с излучателем специальных отражающих покрытий [90, 91]- и, наконец, направление, хотя и связанное с конструкционным, но тем не менее, как представляется, выделяющееся в отдельное — это объединение различных источников излучения в один с помощью интеграции этих источников на одном кристалле излучателя [58], либо же объединение излучения от различных источников с помощью специальных оптических элементов (например оптических волоконных разветвителей) [59, 61, 62] с целью получения максимальной мощности или максимально широкой полосы излучения.

На сегодняшний день на мировом рынке оптоэлектронных приборов представлены СЛД, выходные параметры которых (как мощностные, так и спектральные) лежат в широких пределах и способны удовлетворить (на данный момент) тем требованиям, которые предъявляются к источникам оптического излучения в соответствующих областях применения (в частности, вышеназванных): так, мощность выходного излучения из одномодового волокна лежит в пределах 0.2 — 30 мВт, ширина спектральной линии излучения — от 8 до 170 нм, возможный реализуемый спектральный диапазон длин волн излучения перекрывает область от 600 до 1700 нм. Тем не менее новые перспективы развития и потенциальные возможности этих научно-технических, производственных и прикладных направлений, не реализованные до сих пор, неуклонно диктуют и предъявляют всё новые и возрастающие требования — и в частности требования на выходные параметры используемых источников оптического излучения. В первую очередь эти требования касаются спектральной ширины линии излучения, т.к. именно с ней, в первую очередь, связана разрешающая способность и выходные параметры большинства из вышеперечисленных прикладных направлений (томография, гироскопия, рефлектометрия) [1 — 6, 75 -77, 88, 92, 93].

В связи с изложенной и очевидной актуальностью проблемы создания широкополосных источников оптического излучения — «источников белого света», а также в связи с вышеперечисленными достоинствами суперлюминесцентных диодов по сравнению с другими широкополосными оптическими приборами, представляется очень перспективным, наиболее целесообразным и экономически выгодным решение этой проблемы на базе и с помощью именно СЛД. Стоит отметить также, что решение этой проблемы имело бы не только чисто исследовательский и научный, но также огромный практический и экономический аспекты.

Поэтому цель данной работы состояла в исследовании, разработке и внедрении в производство широкополосных источников оптического излучения на базе полупроводниковых гетероструктур и суперлюминесцентных диодов на их основе, превосходящих по своим выходным параметрам аналогичные приборы, известные и описанные в литературе, а также представленные в виде коммерчески доступных вариантов, на момент написания работы.

В соответствии с методологией решения и достижения цели данной работы, предполагающей три возможных направления исследований: технологическое направление, конструкционное направление, а также направление, связанное с объединением излучения различных источников, в задачу диссертационной работы входило:

1. Проведение сравнительного анализа спектральных параметров (спектральный состав излучения, центральная длина волны, ширина спектра излучения) и мощностных параметров суперлюминесцентных диодов в зависимости от входных рабочих параметров и условий эксплуатации СЛД (ток накачки, температура, конфигурация активного канала распространения света) для различных типов гетероструктур.

2. Исследование и выбор оптимальных (с точки зрения возможности получения максимально широкого контура усиления) гетероструктур и разработка на их основе СЛД и светоизлучающих модулей с оптимизированными рабочими параметрами с целью получения оптимального соотношения спектральных и мощностных параметров в различных диапазонах длин волн излучения.

3. Разработка теоретической модели двухпроходного СЛД со спектрально-селективным отражателем на заднем торце излучателя, рассмотрение принципов работы и оптимизация спектральных характеристик таких приборов.

4. Разработка двухсекционной конструкции СЛД и создание на её основе СЛД и светоизлучающих модулей. Исследование спектральных и мощностных зависимостей двухсекционных СЛД, определение реализуемых диапазонов изменения выходных параметров.

5. Разработка широкополосного источника оптического излучения на основе объединения излучения различных СЛД:

• Разработка широкополосных волоконных оптических разветвителей различных типов на различные спектральные диапазоны;

• подбор оптимальных комбинаций СЛД и их рабочих параметров и объединение излучения этих приборов с помощью разработанных оптических волоконных разветвителей.

Научная новизна работы.

1. Реализованы СЛДсветоизлучающие модули спектрального диапазона 920 нм на основе однослойной (InGa)As КРС с градиентным волноводом, ширина спектра излучения которых (по уровню 0.5) достигает 100 нм.

2. Реализованы СЛДсветоизлучающие модули спектрального диапазона 810 нм на основе однослойной (InGa)As КРС со ступенчатым волноводом, ширина спектра излучения которых (по уровню 0.5) достигает 85 нм.

3. Реализованы СЛДсветоизлучающие модули спектрального диапазона 1550 нм на основе (InGa)PAs КРС с четырьмя активными слоями, ширина спектра излучения которых (по уровню 0.5) превышает 130 нм.

4. Разработана и экспериментально проверена теоретическая модель двух-проходного СЛД со спектрально-селективным отражателем, наглядно демонстрирующая, что в случае реализации такого прибора возможно значительное увеличение ширины спектра излучения по сравнению с традиционным однопроходным СЛД наряду с увеличением мощности излучения. Рассмотрены варианты реализации подобных приборов с помощью конструкций двухпроходного СЛД с искривлённым волноводом или однопроходного СЛД с внешним отражателем со стороны заднего торца излучателя.

5. Реализованы светоизлучающие СЛДмодули спектрального диапазона 950нм на основе двухслойной (InGa)As КРС с двухсекционной конструкцией излучателя, позволяющей использовать пространственно-неоднородную инжекцию. Продемонстрирована возможность реализации широкого диапазона мощностных параметров при ширине спектра излучения, превышающей значения для односекционного прибора при той же плотности тока накачки.

6. Реализованы широкополосные источники оптического излучения различных спектральных диапазонов на основе объединения излучения различных специально подобранных комбинаций СЛДмодулей с помощью широкополосных оптических разветвителей. В рамках данного направления разработана и реализована конструкция широкополосного волоконного Y-разветвителя микрооптического типа, рассчитанного на спектральный диапазон 750 — 1100 нм, на основе градиентных микролинз и полупрозрачных зеркал.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что в ней наглядно продемонстрированы возможности, а также предложены потенциальные пути и направления реализации широкополосных источников оптического излучения на базе суперлюминесцентных диодов, изготовленных на основе полупроводниковых гетероструктур различного типа, различных спектральных диапазонов, по своим выходным спектральным и мощностным параметрам значительно превосходящих серийно выпускаемые на сегодняшний день приборы данного класса. Полученные практические результаты основывались на исследованиях по трём направлениям: технологическое направление (изготовлены полупроводниковые структуры и СЛДсветоизлучающие модули на их основе различных спектральных диапазонов, позволяющие реализовывать широкий контур оптического усиления, а соответственно широкую полосу выходного излучения) — конструкционное направление (разработана и экспериментально проверена теоретическая модель двухпроходных СЛД со спектрально-селективным отражателем, исследованы двухсекционные СЛД с возможностью пространственно-неоднородной инжекции, исследовано влияние конструкционных и рабочих параметров однопроходных СЛД на выходные характеристики излучения, проведена оптимизация этих параметров с целью достижения наилучшего соотношения ширины спектра и мощности излучения) — объединение излучения различных СЛД (реализованы широкополосные источники излучения на основе объединения излучения СЛДсветоизлучающих модулей с помощью оптических разветвителей с широкими возможными диапазонами выходных параметров). При этом большинство из вышеперечисленных результатов работы уже на сегодняшний день нашло своё практическое применение и внедрено в производство. Так, на основе исследованных и описанных в данной работе гетероэпитаксиальных структур компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» коммерчески реализованы новые типы серийно выпускаемых и перспективных с практической точки зрения СЛДсветоизлучающих модулей SLD-37-MP/HP, SLD-47-MP/HP, SLD-47-HP-G, SLD-76-LP. Кроме того, на основе описанных в данной работе результатов по объединению источников излучения, компания ООО «Суперлюминесцентные Диоды» выпустила на рынок оптоэлектроники принципиально новый тип серийно выпускаемого прибора на основе объединения нескольких СЛД с помощью широкополосных волоконных разветвителей, получившего коммерческое название «BroadLighter» (категории D-830-HP, D-890-HP, D-930-HP, D-1300-HP, D-1500-LP, D-1550-MP/HP) (см. Приложение В, Приложение С).

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, трёх приложений, списка литературы.

4.4 Результаты исследования СЛД с двухсекционной конструкцией активного элемента и пространственно-неоднородной инжекцией спектральной области 950 нм на базе двухслойной (InGa)As квантоворазмерной гетероэпитаксиальной структуры.

2. ООО «Суперлюминесцентные Диоды» при разработке и производстве широкополосных источников света «BroadLighter» следующих типовD-830-HP, D-890-HP, D-1300-HP, D-1460-MP/HP, D-1500-MP/HP, D-1500-LP, D-1550-MP/HP — на основе объединения излучения специально подобранных комбинаций СЛДсветоизлучающих модулей с помощью широкополосных волоконных разветвителей использует соответствующие результаты диссертационной работы Д. С. Мамедова.

3. Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной ¦ работы Д. С. Мамедова не рассчитывался.

4. Разработанные светоизлучающие модули и широкополосные источники света типа «BroadLighter» на основе объединения излучения специально подобранных комбинаций СЛДсветоизлучающих модулей с помощью широкополосных волоконных разветвителей используются в волоконно-оптических датчиках различного назначения, включая волоконно-оптические гироскопы, системы оптической когерентной томографии, метрологические установки для оптических телекоммуникационных систем со спектральным уплотнением каналов.

WDMсистем), локальные сети BOJIC, а также в областях рефлектометрии и интерферометрии «белого света».

От ООО «Суперлюминесцентные Диоды» От МГИЭМ (ТУ).

Руководитель исследовательского Заместитель заведующего ректора кафедры «ФОЭТ».

С.Д. Якубович/ — /А.П. Лысенко/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.