Автореферат (Суперлюминесцентные диоды и полупроводниковый оптический усилитель повышенной мощности и широкополосности и приборы на их основе)

На правах рукописиИльченко Степан НиколаевичСуперлюминесцентные диоды и полупроводниковый оптическийусилитель повышенной мощности и широкополосности и приборы на ихоснове.05.27.03 – Квантовая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМОСКВА – 20142Работа выполнена в ОАО НИИ «Полюс» им. М. Ф. СтельмахаНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорЯкубович Сергей ДмитриевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор, заведующий лабораториейфизическогоинститутаРАНим.П.Н.ЛебедеваБогатов Александр Петровичкандидат технических наук,начальниксекторалабораторииметрологии малоинтенсивного лазерногоизлученияиволоконно-оптическихсистем ВНИИОФИКравцов Владимир ЕвгеньевичВедущая организация:ОАО Научно-производственноепредприятие «Инжект»Защита состоится 31 марта 2015 года в 15:00 на заседании диссертационногосовета Д.409.003.01 ОАО НИИ « Полюс» им.

М. Ф. Стельмаха по адресу:117342, Москва, ул. Введенского, д. 3.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НИИ « Полюс»им. М. Ф. Стельмаха и на сайте http://www.polyus.info.Автореферат размещён на сайте ОАО НИИ «Полюс» http://www.polyus.info исайте ВАК РФ http://vak.ed.gov.ru.Автореферат разослан «»2015 г.Ученый секретарь диссертационного советак. ф.-м. н.Кротов Ю. А.3Общая характеристика работы.Актуальность темы.Суперлюминесцентые диоды (СЛД) «видимого» диапазона спектрапредставлены на рынке оптоэлектроники довольно скудно, тем не менее длясистем некогерентной подсветки, машинного зрения, оптических датчиков,низкокогерентных интерференционных систем и др. СЛД диапазона660-680 нм спектра весьма востребованы.Наиболее распространенное применение СЛД - это их использование вкачестве источников излучения для оптической когерентной томографии(ОКТ) [1].

Наиболее востребованными для ОКТ сетчатки человеческого глазаявляются приборы, обладающие непрерывной выходной мощностью от 2 до50 мВт и спектром с центром около 840 нм и шириной 45-50 нм. Какправило, такие приборы строятся на основе однослойной квантоворазмернойструктуры (ОКРС) в системе (GaAl)As/GaAs. Усовершенствование такихгетероструктур позволяет несколько повысить ширину спектра и/иливыходную оптическую мощность. Максимум спектральной ширины(минимум когерентности) излучения обычно достигается в СЛД,обладающих характерной двугорбой формой спектра, что соответствуетрабочим условиям, при которых интенсивности квантовых переходов изосновного и первого возбужденного состояний выравниваются.

Глубинапровала между спектральными максимумами является весьма критичнымпараметром. Для практических применений в ОКТ обычно требуется, чтобыэта величина не превышала 2,0 дБ (37%), а в идеале провал отсутствовалполностью (колоколообразный спектр), при сохранении нужной полушириныспектра. Подобная форма спектра обеспечивает отсутствие пьедестала наавтокорреляционной функции (АКФ), что позволяет получить наибольшеесоотношение сигнал-шум. В непрерывном режиме инжекции мощностьсветоизлучающих модулей на основе этих СЛД может составлять 1.0-25 мВтна выходе одномодового волоконного световода (ОВС).

Если же требуетсямаксимальное пространственное разрешение получаемых томограмм,невзирая на шумы, то ширина спектра остаётся наиболее важнымпараметром.Для многих практических применений, помимо ОКТ, выходнаяоптическая мощность суперлюминесцентных диодов является ключевымпараметром. При этом в большинстве случаев предпочтение отдаетсясветоизлучающим модулям на основе пространственно-одномодовых СЛД, укоторых расходимость излучения соответствует дифракционным пределам.Опубликовано немало результатов экспериментальных работ, в которыхреализованы одномодовые СЛД ИК-диапазона спектра с непрерывнойвыходной мощностью, превышающей 100 мВт (см., например, [2,3]).

Нопроблема надежности этих приборов обычно не рассматриваетcя.Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) [4] в настоящеевремя нашли применение во многих областях техники. Среди них первое4место занимают волоконно-оптические системы передачи информации. Вэтих системах ПОУ используются не только для усиления оптическихсигналов, но и в качестве модуляторов, логических затворов,переключателей, маршрутизаторов, нелинейных конверторов. Также ПОУприменяются в качестве выходных усилителей мощности различныхлазерных систем и в качестве активных элементов одночастотных иперестраиваемыхлазеровсвнешнимиспектрально-селективнымирезонаторами.Несмотря на широкий выбор источников излучения на основе СЛД иПОУ, представленных на рынке оптоэлектроники на сегодняшний день,динамично развивающиеся научно-прикладные области постоянноповышают требования к широкополосным источникам излучения иусилителям.

Поэтому цель данной работы заключалась в разработкеуказанных приборов с выходными параметрами, превосходящимианалогичные приборы, коммерчески доступные в настоящее время.В рамках диссертационной работы велись исследования по следующимнаправлениям:Создание суперлюминесцентных диодов различных диапазоновдлин волн с рекордными спектральными и мощностными параметрами.Создание новых комбинированных источников света на основеразработанных суперлюминесцентных диодов.Созданиеновоговысокоэффективногоширокополосногополупроводникового оптического усилителя с центральной длиной волны1060нм.Создание нового быстроперестраиваемого лазера на основеразработанного ПОУ.Методы исследования.При проведении экспериментальных исследований использовалисьуниверсальныйстенд,оснащённыйсовременныматтестованнымоборудованием, позволяющим измерять все основные электрические,оптические и пространственные параметры образцов СЛД в условияхтермостабилизации в широком диапазоне температур; специализированныйстенд для измерения спектров оптического усиления и передаточныххарактеристик ПОУ с использованием перестраиваемого лазера в качествегенератора входного сигнала; автоматизированная система для проведенияресурсных испытаний с круглосуточным режимом работы.Научная новизна.К основным новым результатам, полученным в ходе работы по темедиссертации, принадлежат:Разработаны и исследованы высоконадёжные СЛД с центральнойдлиной волны в диапазоне 660-690 нм, превосходящие по выходноймощности существующие аналоги.5Разработаны и исследованы СЛД на основе ОКРС диапазона800 - 900 нм с колоколообразной формой спектра.

В этих приборах толщинаактивных слоёв, длины активных каналов и рабочие режимы были выбранытаким образом, чтобы вклад в суперлюминесценцию давали квантовыепереходы только из основной подзоны энергетического спектра. При этом сростом тока инжекции ширина спектра сильно увеличивается в отличие отСЛД на основе «объёмных» двухсторонних гетероструктур (ДГС), в которыхширина спектра слабо зависит от уровня накачки. Использование различныхсоставов активных слоёв позволило разработать серию СЛД-модулей сразличными центральными длинами волн в указанном спектральномдиапазоне и выходными мощностями от единиц до десятков мВт. По ширинеспектра эти приборы превосходят существующие аналоги.

Форма спектраизлучения, близкая к гауссовой, позволяет получить АКФ с минимальнымиискажениями центрального пика, что, в свою очередь, улучшаетсоотношение сигнал-шум при применении этих СЛД в интерференционныхсистемах.Разработаны и исследованы СЛД, обладающие рекордношироким спектром порядка 100 нм при центральной длине волны около830 нм, на основе ОКРС со сверхтонким активным слоем.На основе разработанных СЛД созданы два типа двухканальныхкомбинированных источников излучения «ближайшего» ИК - диапазона сшириной спектра около 100 нм и 200 нм.

Приборы первого типа, в отличиеот существующих аналогов, обладают колоколообразной формой спектра иАКФ, практически не содержащей «пьедестала», что является неоспоримымпреимуществом для ряда практических применений, в частности для ОКТ.Прибор второго типа обладает рекордной для приборов данного классадлиной когерентности излучения и крайне низкой чувствительностью коптической обратной связи.Разработаны и исследованы 4 типа пространственноодномодовых СЛД с различными центральными длинами волн (790 нм,840 нм, 960 нм и 1060 нм), обладающих непрерывной выходной оптическоймощностью до 100 мВт. Разработаны миниатюрные высоконадёжныесветоизлучающие модули на их основе, превосходящие по выходноймощности существующие аналоги в 1,5-2 раза.Разработана новая модель ПОУ-модуля бегущей волны на основе(InGaAs) двухслойной квантоворазмерной структуры (ДКРС) с полосойоптического усиления шириной порядка 100 нм, с центральной длинойволны 1060 нм.