Диссертация (Суперлюминесцентные диоды и полупроводниковый оптический усилитель повышенной мощности и широкополосности и приборы на их основе), страница 2

В этих устройствах усиленное спонтанное излучение (суперлюминесценция)играет негативную роль, а именно, приводит к насыщению усиления и определяетуровень спонтанных шумов, т.е. ограничивает чувствительность и динамическийдиапазон усилителя.Физические характеристики полупроводниковых оптических усилителей(ПОУ) хорошо изучены. Их исследованию посвящены сотни публикаций. Средипервых исследований ПОУ бегущей волны следует отметить цикл работ,проведенных под руководством Л.А.Ривлина [27]. В настоящее время ПОУ нашлиприменение во многих областях техники. Среди них первое место занимаютволоконно-оптические системы передачи информации (ВОСПИ). В этих системахПОУ используются не только для усиления оптических сигналов, но также вкачестве модуляторов, логических затворов, переключателей, маршрутизаторов,нелинейных конверторов [28].

Несомненный интерес представляют ПОУ и длясистем оптической связи [29,30]. ПОУ ближнего ИК диапазона спектра чащевсего применяются в качестве выходных усилителей мощности различныхлазерныхсистемивкачествеактивныхэлементоводночастотныхиперестраиваемых лазеров с внешними спектрально-селективными резонаторами[31].Например, фирмаперестраиваемыхSacherLasertechnik выпускаетполупроводниковыхлазеров,вдесяткикоторыхмоделейиспользуютсяклассические схемы внешнего резонатора Литтмана и Литтроу и ЛД спросветленными гранями в качестве активных элементов. Суммарный диапазонспектральной перестройки этих приборов составляет 630-1740 нм. Полосыперестройки отдельных приборов «ближайшего» ИК-диапазона составляют около20нм, 30 нм, 40 нм и 50 нм в интервалах 750-800 нм, 800-900 нм, 900-1000 нм и1000-1100 нм соответственно.Использование соответствующих полупроводниковых квантоворазмерныхгетероструктур позволяет реализовать в указанных спектральных диапазонахполосы оптического усиления шириной порядка 100 нм [32].

Тем не менее, допоследнеговремениширинаполосыусилениясерийновыпускаемых7ПОУ-модулей указанных диапазонов не превышала 40-50 нм [33]. ПриизготовленииширокополосныхквантоворазмерныхгетероструктурПОУбегущейнеобходимаволнынаоптимизацияосновеконструкцииактивных элементов. Желательно реализовать максимальную ширину полосыоптического усиления и при этом обеспечить достаточно высокий коэффициентоднопроходного усиления, умеренный ток инжекции и относительно низкийуровень суперлюминесценции, которая является паразитным фоном.Сложно переоценить полезность ПЛ и ПОУ. В настоящее время они нашлисамое широкое применение в различных областях науки и техники, да и бытчеловека сегодня трудно представить без применения устройств, действиекоторых основано на использовании этих источников света.

ПЛ и ПОУиспользуются в системах связи, оптической памяти, обработке материалов,оптической локации, спектроскопии высокого разрешения, аналитическойспектроскопии, в частности для обнаружение загрязнения окружающей среды,стандартах частоты, интерферометрии, голографии и в различных областяхмедицины (диагностика, терапия, хирургия).Нодлянекоторыхприменений,такихкак,впервуюочередь,оптоволоконные датчики различных типов, включая оптоволоконные гироскопы,специализированныеволоконно-оптическиелиниисвязисповышеннымитребованиями к амплитудным шумам передатчиков, интерферометры "белогосвета", оптические рефлектометры и томографы сверхвысокого разрешения,основным требованием к источнику излучения является совмещение высокойяркости и широкого спектра (низкой когерентности).В качестве примера кратко рассмотрим принцип работы одной из системоптической когерентной томографии (ОКТ), где широкополосность источникаизлучения является ключевым фактором получения сечений полупрозрачныхобъектов с высокой точностью бесконтактным методом.

Пучок света в ОКТ, какпоказано на Рис. В.1, делится на два: сканирующий, который взаимодействует сисследуемым объектом, и опорный. При взаимодействии этих пучков света8(отраженного от объекта и опорного) наблюдается интерференционная картина,но только лишь в том случае, если оптическая разность хода этих пучков не будетпревышать длины когерентности. При изменении положения опорного зеркалаполучается распределение коэффициента отражения в исследуемом объекте.Участкам исследуемого объекта с большим коэффициентом отражения будетсоответствовать более интенсивная интерференция.

Однако, при превышенииоптической разницы хода пучков длины когерентности, интерференции не будетсовсем. Таким образом, длина когерентности определяет аксиальное разрешениеметода. Полученное таким образом распределение видности интерференционнойкартины от координаты (так называемый А-скан) содержит информацию орасположении и поперечных размерах неоднородностей в исследуемом объекте.Изображения сечения (B-скан) объекта вычисляется по результатам серииА-сканов. В некоторых методах возможно также получить трёхмерноеизображение объекта.Рис. В.1.

Схема установки классической ОКТ. Здесь 1 – низкокогерентныйисточник света, 2 – делитель пучка, 3 – опорное зеркало, 4 – сканирующеезеркало, 5 – образец, 6 – фотодетектор, 7 – вывод данных.9Подобный дизайн был использован в ОКТ с применением микроскопов снизкойчисловойапертуройдляполученияизображенияисследуемыхбиологических образцов in vivo, а также для применения в хирургии [34,35,36].Ранние исследования «безрезонаторных» ЛД в качестве источниковизлучения, привели к появлению так называемых суперлюминесцетных диодов(СЛД), которые базировались на GaAs - гомоструктурах [37,38]. Позднее былисозданы промышленные образцы СЛД на основе ДГС.

СЛД, совмещающие в себеряд достоинств инжекционных лазеров и светодиодов, являются оптимальнымиисточниками излучения для ряда практических применений описанных выше.[39,40,41].Прежде чем перейти к описанию принципа действия и основныххарактеристикСЛД,рассмотримдругиесуществующиеисточникиширокополосного излучения. По принципу действия их можно разделить нанесколько типов: ламповые источники «белого света» на основе лампнакаливанияигазоразрядныхламп,твердотельныепикосекундныеифемптосекундные лазеры, обладающие относительно большой мощностью (доединиц Ватт усреднённой по времени мощности) и широким спектром (сотнинанометров)иполупроводниковыесветодиоды[42,43,44],являющиесяисточниками собственного (спонтанного) излучения.

Описание принципа работыданных приборов не относится к теме данной диссертации, но для сравнениястоит рассмотреть их преимущества и недостатки.Ламповые источники «белого света» на основе ламп накаливания игазоразрядных ламп обладают самым широким спектром излучения, которыйможет«накрывать»ультрафиолетовойвесьобластидиапазонидлинзаканчиваяволн,областьюначинаясближнейинфракрасного(ИК)излучения. Подобная ширина не наблюдается ни у одного из вышеперечисленныхтипов приборов.

Кроме того, излучение таких источников деполяризовано,приборы абсолютно не чувствительны к оптической обратной связи. Также стоитотметить их сравнительно низкую цену. К серьёзным недостаткам ламповых10источников можно отнести их высокое энергопотребление, низкую яркость,крайне низкий ввод излучения в волокно (типичные значения мощности изодномодового волокна не превышают нескольких микроватт).

Помимо всегопрочего, подобные приборы обладают большими габаритами. Все эти факторырезко ограничивают возможность практического использования ламповыхисточников для вышеуказанных целей.К преимуществам импульсных субпикосекундных твердотельных лазеровследуетотнестивозможностьполученияширокогоспектраизлучения,достигающего нескольких сот нанометров, и большой мощности и яркостиизлучения. Но высокая стоимость, большие габариты, негладкая форма спектра,высокие шумы интенсивности, ограниченность набора спектральных диапазоновделают использование на практике таких приборов не всегда выгодным ирациональным.Кпреимуществамполупроводниковыхсветодиодовстоитотнести,возможность их создания в широком диапазоне длин волн излучения,характерном для полупроводниковых структур (330 - 1800 нм).

Эти приборыобладают широкой спектральной полосой спонтанного излучения (до 170 нм),спектр которого ограничивается лишь распределением носителей заряда ввалентной зоне и зоне проводимости, характерным для данных конфигурации исостава активных слоев полупроводниковой структуры, температуры и плотноститока инжекции. Помимо вышеперечисленного, полупроводниковые светодиодыимеют малые размеры и низкую стоимость. Но при этом малая яркость, низкаяэффективность ввода излучения в оптическое волокно, сильные температурныезависимости как мощностных, так и спектральных параметров излучения резкоограничиваютвозможностипрактическогоиспользованиясветодиодовввышеуказанных областях.Теперь, рассмотрев альтернативные источники излучения, можно болеедетально продемонстрировать преимущества и недостатки суперлюминесцентныхдиодов и светоизлучающих приборов на их основе.11Как было указано выше, основным и уникальным в своём роде свойствомСЛД является комбинация выходной мощности лазерного диода и шириныоптического спектра светодиода.

Такое сочетание становится возможнымблагодаря широкому спектру усиления и высокому оптическому усилению всоединениях групп AIIIBV, AIIBVI и AIVBVI. К примеру InP, InAs, InSb, CdS, CdTe,PbTe, PbSe и наиболее распространённый GaAs.По существу традиционный СЛД является оптимизированным лазернымусилителем бегущей волны с нулевыми коэффициентами отражения на торцахактивного канала. Количественное описание контура оптического усиления испектральной плотности скорости спонтанного испускания основывается назнании зонной структуры и матричных элементов оптических переходов.

Дляописания состояния носителей тока в квантоворазмерных СЛД используетсяметод эффективной массы [45], который широко применяется для расчёта КРС.КоэффициентусиленияG(ћω)дляоптическихпереходовмеждулокализованными состояниями можно вычислить как [46]:8hωG (hω ) =nhcLw∞∑ ∫ dkk M lm (k )2×l ,m 0× { f c [El (k )] − f v [Em (k )]}L[El (k ) − Em (k ) − hω ],(В.1)где El(k) и Em(k) – энергии l–й подзоны в зоне проводимости и m–й подзоны ввалентной зоне; fc fv – функции распределения Ферми в зоне проводимости ивалентной зоне, функция L(E- ћω) описывает уширение спектральной линии,|Mlm(k)|2 – квадрат матричного элемента, выражающийся через огибающиеволновых функций (ψl,ψm).При описании спектров суперлюминесценции используются скоростныеуравнения для спектральной плотности фотонов, распространяющихся вположительном и отрицательном направлении вдоль волновода, которые встационарном режиме записываются в следующем виде:12dϕ ( + )Г= [ГGα (hω ) − α 0 ]ϕ ( + ) + Rsp ,dycg(В.2)dϕ ( − )Г= [ГGα (hω ) − α 0 ]ϕ ( − ) − Rsp ,dycg(В.3)где Г - фактор оптического ограничения, α0 – внутренние потери, cg – групповаяскорость света, Rsp – спектральная плотность скорости спонтанного излучения:∞4 β ( hω ) 3 nRsp = 4 2 3 ∑ ∫ dkkh π c Lw l , m 02M lm (k ) f [E (k )]c× {1 − f v [Em (k )]}L[El (k ) − Em (k ) − hω ]l,(В.4)параметр β описывает долю спонтанно испускаемых фотонов, дающих вклад вмоды волновода.В предположении независимости концентрации носителей от координаты иравенства нулю коэффициентов отражения на торцевых гранях из уравнений В.3и В.4 можно получить спектральную плотность фотонов на выходе СЛД:ϕα (hω ) =( Г / c g ) Rsp (hω )ГGα (hω ) − α 0{exp{[ГGα (hω ) − α 0 ]La } − 1}.(В.5)Также можно заметить, что мощность СЛД зависит от оптическогоусиления экспоненциально, а от уровня спонтанного излучения линейно.Очевидно, что для получения большей выходной мощности излучения требуетсябольшое оптическое усиление.Основными параметрами, описывающими спектр излучения СЛД являются:•Центральная, пиковая или медианная длины волн.