Диссертация (Суперлюминесцентные диоды и полупроводниковый оптический усилитель повышенной мощности и широкополосности и приборы на их основе), страница 4

Нопри этом они могут сильно уменьшить время жизни СЛД. Временем жизни илиMTTF (median time to failure) обычно называют время эксплуатации, за котороемощность излучения уменьшается на 50% при неизменных токе инжекции итемпературе [58].Если падение оптической мощности происходит резко, после небольшоговременинормальной«катастрофической»работыоптическойСЛД,топодобныйдеградациейэффект(КОД).называетсяТакойэффектхарактеризуется появлением дефектов как на гранях, так и внутри активногоканала [59].

Повреждение зеркал обычно происходит из-за того, что в ходе работыСЛД, на гранях кристалла возрастает локальная температура вследствиебезызлучательной рекомбинации [60,61]. Наиболее же распространённая причинаКОД - механические повреждения и напряжения в кристалле.Второй тип – это так называемая «быстрая» деградация, котораяхарактеризуется постоянным падением мощности в первые сотни часов работыСЛД. Этот эффект связан с наличием протяженных дефектов, разрушающихактивнуюобластьдиода.Ихростпредставляеттипичныйпроцессраспространения дислокаций благодаря взаимодействию точечных дефектов вгетероструктуреинеосновныхносителей,внесенныхвактивныйслойэлектрической накачкой и оптической генерацией при поглощении света внутрирезонатора.Последний тип – это «постепенная» деградация, которая ведет к отказу СЛДпри длительной эксплуатации (порядка тысяч часов) и проявляется в сниженииквантового выхода.

Причиной её является формирование точечных дефектовВремя жизни (MTTF) при этом обычно подчиняется соотношению Аррениуса:21 Ea  1 1 MTTF (T1 )= exp  −  ,MTTF (T2 ) k  T 1 T2 (В.9)где T1, T2 – рабочие температуры, Ea – энергия активации, составляющая для СЛДдесятые доли эВ и k – постоянная Больцмана.

Такой подход позволяет проводитьускоренные ресурсные испытания при повышенных температурах и достаточноуверенно оценивать срок службы высоконадежных ЛД, процесс деградациикоторых при комнатной температуре протекает очень медленно. Этот методуспешно применяется и для некоторых типов СЛД [62,63].Физические механизмы, определяющие процесс деградации, ЛД и СЛДразнообразны и определить конкретную причину спада мощности излучения невсегда представляется возможным, к примеру, в обзоре П.Г.Елисеева [64] такихмеханизмов рассматривается более десятка.Выше были описаны этапы развития и становления СЛД и их основныесвойства, благодаря которым они нашли широкое применение в различныхобластях оптоэлектроники, при этом являясь наилучшим решением для многихзадач.

Важность развития и улучшения свойств и характеристик СЛД былапонятна ещё на заре их создания в 1971 и актуальна по сей день в связи срастущими потребностями приборов на их основе. Суперлюминесцентные диодызанимают первое место среди их возможных конкурентов по ряду причин, аименно:• Ширина спектра может достигать сотен нанометров.Высокая выходная мощность до сотен милливатт.Простойиэффективныйвводизлучениявоптоволоконныесветоводы, в том числе одномодовые (ОВС) (30%-50% черезсферическую и 60-70% через цилиндрическую линзу)Малые габариты чипа (порядка миллиметра) и светоизлучающегомодуля (порядка сантиметра) с волоконным выходом.22Срок службы порядка десятков тысяч часов.Сравнительно небольшая стоимость.Возможность создания СЛД в различных диапазонах оптическогоспектра, начиная от 400 нм и до 1800 нм.Основные типы СЛД, коммерчески доступные на данный момент, краткоописаны ниже:1.СЛД видимого диапазона.СЛД видимого диапазона на сегодняшний день обладают скромнымимощностями и сравнительно небольшим ресурсом.

Рынок таких СЛД почтиполностью представлен «красными» излучателями с длиной волны 650-680 нм. Встатьях [65,66] были описаны СЛД на базе объемной гетероструктуры смощностью до 4 мВт и МКРС с мощностью до 15 мВт соответственно. Ширинаспектров излучения в обоих случаях составляла менее 10 нм. В 2009 году вработе [67]былиописаныСЛДсинегодиапазонанаоснове(InGa)N - гетероструктур, но они обладали крайне малым (сотни часов) временемжизни. Мощность представленных на рынке СЛД-модулей рассматриваемогодиапазона не превышает 15 мВт и 5 мВт при выводе излучения в открытоепространство и через ОВС соответственно.2.СЛД диапазона 750 – 900 нмДанный диапазон представлен самым большим количеством СЛД высокоймощности на основе «объемных» и квантоворазмерных гетероструктур (КРС) всистемах (AlGa)As и (InGa)As.

В работах [68,69,70] были получены мощности от100 мВт и до 250мВт, при использовании ненакачиваемых областей структурывблизи выходных граней кристалла (так называемые «холодные концы») иоптимизациидлинытакихобластей.Благодаряэффективномувводувцилиндрическую линзу была получена мощность 100мВт из одномодовоговолокна,чтопомощностипоперечно-одномодовыми ЛД.ужевполнесравнимосмощными23В СЛД на базе КРС при оптимизации структуры СЛД и длины активногоканала были получены мощности до 100 мВт при ширине спектра излучения50 нм, но для увеличения времени жизни мощность таких СЛД не поднимаютвыше 30 мВт. Возможность получения ширины спектра до 100 нм для СЛД набазе однослойных (ОКРС) и многослойных (МКРС) наногетероструктурэкспериментально была показана в работах [71,72] соответственно, но ониобладают сравнительно небольшим временем жизни. В настоящее время,коммерчески доступны излучатели с шириной спектра не превышающей 60нм инепрерывной выходной мощностью, не превышающей 60мВт в открытоепространство.Позднее были разработаны СЛД диапазона 820 нм с двугорбой формойспектра шириной более 70 нм и мощностью излучения через ОВС от 0.2 до34 мВт в зависимости от длины активного канала [73].

На основе ДКРС полученыСЛД с шириной спектра более 54 нм м мощностью через ОВС от 5 до 32 мВт взависимости от длины активного канала. Также получены СЛД с ширинойспектра до 72 нм, с относительно небольшим временем жизни. СЛД диапазона840 нм с квази-гауссовой формой спектра имеют ширину около 33 нм, примощности через ОВС около 25 мВт, и временем жизни более 104 часов.3.СЛД ближнего ИК диапазона 900- 1100 нмВ спектральном диапазоне 900- 1100 нм в основном используются СЛД наоснове КРС в системе (InGa)As.

В ранних работах, например [74], сообщается оСЛД с шириной спектра 25-30 нм и мощностью 100 мВт и шириной 70 нм смощностью 30 мВт. Позднее, на базе ОКРС, была получена ширина спектра СЛД100 нм при мощности более 10 мВт из ОВС [75]. Наиболее широкополосныемощныеСЛДрассматриваемогодиапазонаимеютдвугорбыйспектр.Возможность улучшение мощностных выходных параметров СЛД с центральнойдлиной волны 980 было продемонстрировано при использовании структур на КТ.Такой СЛД обладал мощностью в открытое пространство до 200 мВт при ширинеспектра около 60 нм [76].

Первые СЛД диапазона 1050 нм имели мощность менее242 мВт из ОВС. Позднее, были получены СЛД этого диапазона с мощностью,достигающей 10 мВт из ОВС [77].Коммерчески доступные СЛД-модули данного спектрального диапазонаобладают шириной спектра излучения до 120 нм и выходной мощностью до60 мВт в открытое пространство.4.СЛД диапазона 1300- 1600 нмВ настоящее время на оптоэлектронном рынке представлены десяткисветоизлучающих модулей на основе СЛД данного спектрального диапазона. Ихосновное назначение – метрология волоконнооптических систем передачиинформации (ВОСПИ). Наиболее широкополосные имеют величину ∆λ > 100 нм,а мощность из ОВС у наиболее мощных СЛД превышает 100 мВт.

Для этогодиапазона были созданы широкополосные и мощные СЛД на базе МКРС см.например [78,79]. Также был представлен СЛД диапазона 1550 нм с мощностьюдо 90 мВт и шириной спектра 65 нм. СЛД диапазона 1300 – 1550 нм обладающиеочень широкими спектрами на базе МКРС или квантовых точек былипродемонстрированы в работах [80,81]. Их ширина составляла 60 – 70 нм, примощности из ОВС 10-20 мВт.Как было отмечено выше, при соответствующей конструкции модуляпространственно одномодовые СЛД могут быть использованы в качествеполупроводниковых оптических усилителей (ПОУ) бегущей волны, которыеширокоиспользуютсявВОСПИразличногоназначенияивдругихвышеуказанных областях. К главным достоинствам таких ПОУ относятся:• «Чистое» однопроходное усиление (из ОВС в ОВС) до 30 дБ;• Спектральная полоса оптического усиления до сотен нанометров;• Высокая выходная мощность (до 50 мВт из ОВС);• Высокое быстродействие (порядка десятков фемтосекунд в линейномрежиме);• Малые габариты;25• Высокие эффективность и надёжность (MTTF до 106 часов);Наряду с обычными СЛД и светоизлучающими модулями с волоконнымвыходом на их основе в оптоэлектронике широкое распространение получиликомбинированные источники света, в которых оптические выходы 2-х или болееширокополосных СЛД-модулей со смещенными спектрами объединяются спомощью широкополосных оптоволоконных разветвителей [46,82].

Примероммогут служить приборы серии BroadLighter отечественного производства. Ихглавные достоинства – высокая яркость, очень широкий спектр и как следствие –экстремально низкая когерентность. Для примера на Рис. В.6 представлен спектрнаиболее широкополосного из двухканальных комбинированных источников –BroadLighter D-890. Этот источник света широко используется при проведенииИнтенсивность, (отн. ед.)исследований в области ОКТ по всему миру.1,000,750,500,250,00800840880920960 1000Длина волны (нм)Рис. В.6 Спектр излучения комбинированного источника BroadLighter-D-890Современные многоканальные комбинированные источники можно такжеразбить по диапазонам длин волн:Трёхканальный источник: 5-10 мВт мощности из ОВС и 200 нм примедианной длине волны 870 нмЧетырёхканальный источник: 5 мВт мощности из ОВС и 300 нм примедианной длине волны 940 нм26Четырёхканальный источник: 5 мВт мощности из ОВС и 200 нм примедианной длине волны 1370 нмЧетырёхканальный источник: 5 мВт мощности из ОВС и 250 нм примедианной длине волны 1430 нмК сожалению, спектры излучения подобных источников имеют сложнуюизрезанную форму с неоднородностью спектра 20-30%, что приводит к высоте«пьедестала» АКФ около 20-25%.На основе ПОУ создано множество типов перестраиваемых лазеров.Например, при использовании «просветлённого» ЛД на основе КРС идифракционнойрешеткиспектрально-селективноговобъемномэлемента[83]внешнембыларезонаторереализованавкачественепрерывнаяперестройка в спектральной полосе 760-840 нм.Перспективным решением является использование акустооптическогоперестраиваемогофильтра(АОПФ)вкачествеспектрально-селективногоэлемента инжекционных полупроводниковых лазеров с внешним резонатором[84].

Так как при таком решении отсутствуют механические подвижные части, аспектральное положение полосы пропускания АОПФ определяется частотойуправляющего электрического ВЧ-сигнала, обеспечиваются высокая точность ивоспроизводимостьспектральнойперестройки.Крометого,указаннаяперестройка может производиться достаточно быстро (более 106 нм/сек [85,86]).Подобные перестраиваемые лазеры были реализованы в различных диапазонахдлин волн.В частности, в работе [87] был исследован лазер на основе двухпроходногоПОУ с центральной длиной волны полосы усиления 1060 нм и АОПФ во внешнемлинейном оптоволоконном резонаторе.