Диссертация (Суперлюминесцентные диоды и полупроводниковый оптический усилитель повышенной мощности и широкополосности и приборы на их основе), страница 3

(λc λp λm)13•Полуширина спектра ∆λ – параметр, равный ширине спектравзятой на половине его высоты. Этот параметр определяет длинукогерентности Lc.•ГлубинаостаточнойспектральноймодуляциимодамиФабри-Перо, обусловленной неидеальностью (ненулевым отражением)граней СЛД.Ширина спектра излучения в первую очередь зависит от ширины спектраусиления.ТрадиционныеСЛДс«объемным»активнымслоемимеютколоколообразную, слегка ассиметричную, близкую к гауссовой, форму спектра.Эти СЛД на основе двусторонней гетероструктуры (GaAl)As с раздельнымограничением (РО ДГС) с поперечно-одномодовым активным каналом шириной вединицы микрометров при выходной оптической мощности в десятки милливаттобладают шириной спектра излучения 15-20 нм в диапазоне 800 нм и до 30-40 нмдля длин волн 1300 и 1550 нм (InGaAsP).

Так как увеличение ширины спектраявляется одной из актуальных задач, спектр «объемных» СЛД пытались уширитьи были предложены несколько вариантов конструкции, например, «слоеный»СЛД с двумя активными слоями с различным составом. Но реальный прогрессначался после успешной демонстрации СЛД на базе структур с квантовымиямами [47].Использование гетероструктур с одной или несколькими квантовыми ямамиили говоря по-другому однослойными и многослойными квантоворазмернымигетероструктурами (ОКРС и МКРС соответственно) немного искажают, но затопозволяют значительно уширить спектр усиления, что увеличивает полуширинуспектра излучения. Уширение спектра усиления происходит благодаря высокойплотности состояний в квантоворазмерной гетероструктуре по сравнению с«объемными» гетероструктурами при тех же плотностях носителей [47]. Когда ввыходное излучение дают вклад переходы из различных энергетических подзон вактивных слоях, то возникает дополнительное уширение спектра.

[48,49].Например, в наиболее распространенных ОКРС на базе AlGaAs возможныпереходы из двух состояний зоны проводимости. Возможность значительного14уширения спектра для более длинноволновых МКРС была впервые показана вработе [50]. Ширина такого спектра может достигать 100 нм. Недостатком этихСЛД является двугорбая форма спектра далекая от гауссовой, обуславливающаяналичие «пьедестала» у центрального максимума автокорреляционной функции(АКФ), что негативно сказывается на соотношении сигнал-шум. Рис. В.2.Демонстрирует типичные спектры СЛД с колоколообразной (шириной ~20нм) иИнтенсивность (отн.

ед.)двугорбой (шириной ~50нм) формами спектра.1,000,750,500,250,00780800820840860880900Длина волны (нм)Рис. В.2 Спектры СЛД с колоколообразной (сплошная линия) идвугорбой (пунктир) формами спектраСтепень когерентности излучения принято описывать автокорреляционнойфункцией (АКФ) поля световой волны Е:γ (τ ) = ∫ E (t ) E * (t + τ ) dt ,l(В.5)измеряемой по зависимости видности интерференционной картины отразницы хода ∆l в симметричном интерферометре (τ=l/c).

АКФ может бытьопределена и расчётным путём [51]:15ϕ (ν ) exp(−2πiντ )dν∫νγ (τ ) =∫ν ϕ (ν )dν ,(В.6)где φ(ν) – спектральная плотность.Длямногихприменений,вчастностидлянизкокогерентнойинтерферометрии, особенно важна форма и ширина центрального пикаавтокорреляционнойфункцииизлучения.Формацентральногопикавсоответствии с В.6 определяется формой огибающей спектральной плотностиизлучения, а его ширина или длина когерентности, определяется выражением:λ2Lc = k∆λ(В.7),где λ - центральная длина волны, ∆λ - полуширина спектра иk - коэффициент, зависящий от формы спектра излучения (в частности, это 0,32для лоренцевой и 0,66 для гауссовой формы спектра). Идеальная АКФпредставляет из себя один узкий центральный пик, такой АКФ обладает спектргауссовойформы.колоколообразнуюНоилиреальныедвугорбуюспектрыформу,чтоимеютприводитасимметричнуюкпоявлению«пьедестала».

Также нежелательные пики привносят паразитные спектральныемодуляции.Наиболее распространенным видом таких модуляций являются остаточныемодуляциимодамиФабри-Перо,появляющиесявследствиеостаточныхотражений от торцевых граней кристалла СЛД. В случае малой глубины,амплитуда остаточных модуляций модами Фабри-Перо может быть выражена как:m = 2G ( Rout Rback ),(В.8)где Rout и Rback эффективные коэффициенты отражения от концов активногоканала.При глубине модуляции спектра в 1-3% вторичные пики функциикогерентности имеют относительную интенсивность ~ - 25 …- 20 дБ.

Поскольку16для получения выходной мощности хотя бы в 10 милливатт с грани впоперечно-одномодовом СЛД необходимо усиление G около 30 дБ, для тогочтобыглубинаспектральноймодуляцииоставаласьвдиапазоне1-3%произведение Rout·Rback должно не превышать 10–10, а значит 10–5 для каждойотражающей грани, что очень сложно получить в полупроводниковых СЛДпредставляющих собой ЛД с просветлёнными гранями. Впрочем, возможностьполучить такой коэффициент отражения от просветленной грани кристаллалазерного диода, была показана в работе [52]. На Рис. В.3.

представленытипичные АКФ и их центральные пики для колоколообразной и двугорбой формыспектра. На панорамных АКФ хорошо видны пики связанные с паразитнымотражением. Также стоит отметить, что центральный пик АКФ для двугорбогоспектра хоть и имеет «пьедестал», но при этом в два раза уже, чтопредпочтительнее для большинства применений.Уменьшитьпроблемуснежелательнымотражениемможнопутёмоптимизации геометрии СЛД. Для уменьшения коэффициента отражения можноиспользовать так называемые «наклонные» структуры, в которых активныйволновод расположен под углом, отличном от нормального, по отношению кторцевой грани кристалла в СЛД. Другой способ - продолжение активной областиСЛДотносительнопоглощающимПреобладающеедлиннымучасткомпрозрачным(поглотителем)большинствоучасткомвсовременныхконцемощныхи/иливстроеннымактивногоСЛДсканала.низкимкоэффициентом спектральной модуляции основаны на вышеперечисленныхпринципах, либо на их совокупности [53,54,55,56].

Подобная геометрия всовокупности с антиотражающим покрытием обычно даёт приемлемый результат.00-5-5-10-10-15-15АКФ (дБ)АКФ (дБ)17-20-25-20-25-30-30-35-35-1001020Оптическая разность хода (мм)а.Центральные пики АКФ (отн. ед.)-40-20-40-20-1001020Оптическая разность хода (мм)б.1,000,750,500,250,00-60-40-200204060Оптическая разность хода (мкм)в.Рис. В.3 АКФ СЛД с колоколообразной (а) и двугорбой (б) формамиспектра и их центральные пики (в) (колоколообразная форма - сплошная линия,двугорбая - пунктир).Коротко рассмотрим другие характеристики СЛД. Оптическое усиление вполупроводниках довольно сильно зависит от рабочей температуры.

Так какмощность СЛД экспоненциально зависит от усиления, то она также будет сильнозависеть и от температуры. К примеру, мощность СЛД с длиной волны 680 нм,18может уменьшиться в 6 раз при изменении температуры с +15 °C до +50 °CВыходная мощность (мВт)(Рис. В.4).642015253545Температура (°С)55Рис. В.4 Зависимость выходной мощности от температуры СЛД сцентральной длиной волны 680нм на основе МКРС в системе (AlGaIn)(PAs)Компенсировать этот температурный эффект довольно проблематично, таккак плотность тока в СЛД достаточно высокая, из-за чего увеличение токанакачки ведёт к серьёзному уменьшению рабочего ресурса диода. Центральнаядлина волны и полуширина спектра излучения СЛД также изменяются поддействием температуры.

Для уменьшения влияния внешней температуры обычносветоизлучающие модули на основе СЛД оснащаются термоэлектрическимимикрохолодильниками (ТЭМО) на основе эффекта Пельтье.Ещё одна важная характеристика СЛД – это его дальнее поле. Обычно егосечение у поперечно одномодового СЛД, представляющего собой ЛД спросветлёнными гранями, имеет эллиптическую форму, оно подобно дальнемуполю классического поперечно-одномодового лазерного диода. Однако, как былоуказано выше, у мощных СЛД активный канал обычно располагается под углом квыходной грани кристалла, что приводит к тому, что сечение дальнего поляприобретает форму серпа (Рис. В.5) [57]. Излучение одной пространственной19моды обеспечивает эффективную стыковку с одномодовым оптоволокном.

Вводизлучения может достигать 30%-50% в сферическую торцевую микролинзу линзуИнтенсивность (отн. ед.)и 60-70% в цилиндрическую.1,000,750,500,250,00-90-60-300306090Интенсивность (отн. ед.)Угол (град.)а.1,000,750,500,250,00-90в.-60-300306090Угол (град.)б.Рис. В.5 Типичное дальнее поле излучения СЛД с наклонным активнымканалом (распределение интенсивности в плоскости p-n перехода (а), вперпендикулярной плоскости (б) и сечение пучка (в).Срок службы любого источника света обычно определяется двумяосновными факторами: естественными процессами старения и аккуратностью20эксплуатации.

Все СЛД в той же степени что и лазерные диоды являютсячувствительными к электростатическим разрядам, перегрузкам от скачковнапряжения и тока, перегреву и т.д. Также одной из серьёзных проблем являетсяпроблема «скрытых повреждений», которые трудно увидеть с первого взгляда,так как при таких повреждениях рабочие параметры практически не меняются.