Диссертация (1104695), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Активный канал представлял собойгребневидный волновод толщиной около 0,25 мкм и шириной W = 4 мкм, его осьимела наклон 7О по отношению к торцевым граням кристалла, на которые былинанесены антиотражающие покрытия. Величина La варьировалась в пределах700-1600 мкм. Измерения производились в непрерывном режиме инжекции притемпературе 25 ОС.Экспериментальные результаты.На Рис.1.2.3 изображены типичные Вт-А характеристики и зависимостиполуширины спектра излучения от тока инжекции «объемного» и одного изквантоворазмерных СЛД, исследованных в данной работе.
Образцы имеютабсолютно одинаковые конструкции и составы гетерослоёв за исключениемактивного слоя, толщина которого составляла 28 нм (GaAs) и 6,5 нм(In0.04Ga0.96)As соответственно. Их спектры суперлюминесценции разительноотличаются как по ширине, так и по характеру ее зависимости от уровня накачки.Эти отличия пока не имеют объяснения. В ФИРАН им.
П.Н.Лебедева быласделанапопыткатеоретическогоописанияфизическиххарактеристикквантоворазмерного СЛД с использованием трёхзонной модели [93], котораяхорошоописываетхарактеристикипространственно-одномодовыхЛДсквантоворазмерными слоями состава (InGa)As. Для ватт-амперных характеристикполучено хорошее соответствие.
Что же касается зависимости ширины спектра оттокаинжекции,тотеоретическаякриваяоказаласьоченьблизкойэкспериментальной для «объёмного» СЛД (слабая зависимость, ∆λ<20нм)кПолуширина спектра (нм)Выходная мощность (мВт)4980160240200075150 225 300 375Ток инжекции (мА)а.45045240351,0300,525200,0800 λ1 840 λ2158801075150225300375450Ток инжекции (мА)б.Рис. 1.2.3 Типичные Вт-А характеристики (а) и зависимости полушириныспектра от тока инжекции (б) «объемного» (1) и квантоворазмерного (2) СЛД(dBulk = 28нм, dSQW = 6.5нм, La = 1200 мкм, W = 4 мкм). На врезке – аппроксимацияспектра квантоворазмерного СЛД функцией Гаусса.50Форма спектра обоих образцов близка к гауссовой.
На врезке Рис. 1.2.3бизображена аппроксимация спектра квантоворазмерного СЛД формулой (1.2.1)при λc = (λ1 + λ2)/2 и γ = (- 4ln0.5)/ (λ2 - λ1)2 , что обеспечивает равенствополуширин. Небольшая асимметрия практически не сказывается на «чистоте»центрального пика АКФ.В предположении о неизменности спектральной плотности спонтанногоизлучения и модового усиления вдоль оси активного канала СЛД спектр еговыходного излучения согласно [94] можно описать соотношением:S(λ) ≈ SSP(λ)×[exp((g(λ) -α)La – 1]/(g(λ) -α),(1.2.2)где α - коэффициент диссипативных потерь. Строго говоря следуетотдельно рассматривать соотношения (1.2.2) для ТЕ и ТМ-мод [46], т.к.
у нихвеличины SSP(λ) и α могут заметно отличаться. Забегая вперед, укажем, что ввыходном излучении рассматриваемых СЛД доминировала ТЕ-мода.Спектр SSP(λ) в рабочих режимах, характерных для СЛД, не поддаетсяпрямому измерению. Что же касается спектра однопроходного усиленияG(λ) = exp((g(λ) -α)La , то он может быть достаточно точно измерен для образцовполупроводниковых оптических усилителей (ПОУ) с использованием в качествегенераторавходногосигналаперестраиваемоголазерасоответствующегоспектрального диапазона. Результаты таких измерений (ТЕ-мода) для образцовПОУ, изготовленных из тех же РО ДГС, что и сравнивавшиеся выше образцыСЛД, представлены на Рис.
1.2.4 Приведенные кривые качественно хорошосоответствуют тенденциям, отображенным на Рис. 1.2.3б, что указывает на то, чтоширина спектра суперлюминесценции определяется, главным образом, формойспектра оптического усиления.5135Усиление (дБ)3025ISOA = 150 мА2015ISOA = 95 мА1050820840860880900Длина волны (нм)а.35Усиление (дБ)30ISOA=280 мА2520ISOA=150 мА151050820840860880900Длина волны (нм)б.Рис.
1.2.4 Спектры малосигнального усиления ПОУ на основе «объемной»(а) (La = 1200 мкм) и квантоворазмерной (б) (La = 1600 мкм) РО ДГС.52Типичные выходные характеристики СЛД с активным слоем толщиной4,5 нм при различных длинах активного канала и одинаковых плотностях токаинжекции представлены в Табл. 1.2.1.
Как и следовало ожидать, с увеличением Laмощность излучения и его степень поляризации возрастают, а ширина спектрауменьшается.Состав итолщинаактивногослояIn0.08Ga0.92Asda= 4.5nmLaIPFSJPSMλm∆λLCTE/TM2(мкм) (мА) (кА/см ) (мВт) (мВт)(нм)(нм) (мкм)7001605.73.31.583750149.09001905.310.55.883942171311002405.524.51584036201913002805.4472984531232216003505.57745850262828Табл. 1.2.1 Характеристики СЛД с толщиной активного слоя 4,5 нм приплотности тока инжекции около 5,5 кА/см2 (La – длина активного канала; I – токинжекции; J - плотность тока инжекции; PFS – выходная мощность в открытоепространство; PSM – выходная мощность через одномодовый волоконныйсветовод (ОВС); λm – медианная длина волны; ∆λ - спектральная полуширина;LC – длина когерентности; TE/TM – поляризационное отношение).Длинаволныоколо840нмявляетсянаиболеепопулярнойдляСЛД-модулей, используемых в ОКТ-системах.
Как было отмечено выше, в рамкахданной работы была выращена серия однотипных квантоворазмерных РО ДГС сразличными толщинами активных слоев, в которых за счет измененияхимического состава твердого раствора (концентраций In и Ga) величина λmподдерживалась вблизи указанного значения. На Рис. 1.2.5 приведены величинывыходной мощности и полуширины спектра для СЛД с различными La,изготовленных из этих гетероструктур, при типичной рабочей плотности токаинжекции. Представлены только значения, соответствующие квазигауссовой53форме спектра. «Короткие» СЛД с «толстыми» активными слоями при даннойплотности тока обладают двугорбым спектром.
Для выходной мощности выбраналогарифмическая шкала с целью наглядного размещения результатов на одном602015210453011550345678Толщина активного слоя (нм)09Полуширина спектра (нм)Выходная мощность (дБм)рисунке.Рис. 1.2.5 Зависимость выходной мощности (сплошные кривые) иполуширины колоколообразного спектра (пунктир) от толщины активного слоядля квантоворазмерных СЛД с медианной длиной волны около 840 нм приразличных длинах активного канала La = 700 мкм (1); 1100 мкм (2); 1600 мкм (3).Плотность тока инжекции – 5,5 кА/см2 .Главный полученный результат – это очень слабая зависимость основныхпараметров СЛД от толщины активного слоя da. Это выгодно отличаетрассматриваемые приборы от «двугорбых» СЛД с выровненными спектральнымимаксимумами (серии SLD-37, SLD-35 с da ≈ 10 нм), у которых небольшоеизменение величины da приводит к значительному изменению спектральныххарактеристик, что затрудняет получение воспроизводимых результатов при54массовом производстве.
В дальнейшем при серийном выпуске рассматриваемыхприборов предполагается остановиться на величине da около 6,0 нм.Изменение химического состава активного слоя РО ДГС при егопостоянной толщине позволяет изменять в широких пределах медианную длинуволны λm изготавливаемых СЛД.
При этом при смещении в коротковолновуюсторону ширина спектра ∆λ несколько сужается, а остальные выходныехарактеристики остаются близкими. На Рис. 1.2.6 представлены типичныеспектры 4-х типов квантоворазмерных СЛД, исследованных в данной работе. ВТабл. 1.2.2 приведены основные характеристики этих СЛД при величинахИнтенсивность (отн. ед.)La = 700, 900, 1100 и 1300 мкм.Тип I Тип II Тип III Тип IV1,000,750,500,250,00760800840880Длина волны (нм)920Рис.
1.2.6 Типичные спектры излучения СЛД с различными составамиактивного слоя толщиной 6,0 нм.55СоставактивногослояLaIJPFSPSM(мкм) (мА) (кА/см2) (мВт) (мВт)λm(нм)∆λLC(нм) (мкм)TE/TM7001505.42.10.9806431539002005.56.53.0806.535.5184Al0.02Ga0.98As 11002505.71810807.53320613002605.032198092724107001605.73.21.383557125Тип II9001805.08.54.184046157In0.05Ga0.95As11002405.5241384442171513002805.446248473421257001706.12.51.285658136Тип III9001955.47.94.0856491510In0.09Ga0.91As11002405.5171086042182213002805.438248613620.5327001706.12.81.4872631213Тип IV9001805.06.23.1875501516In0.13Ga0.87As11002004.5189.587648162813002404.634.5198794417.534Тип IТабл. 1.2.2 Характеристики СЛД с различными составами активного слоятолщиной около 6,0 нм и с различными длинами активных каналов(Обозначения те же, что и в Табл.
1.1.1)56Выбранные рабочие точки позволяют получить значения PSM около 1.0, 3.0,10 и 20 мВт. Можно отметить, что маломощные «короткие» СЛД обладаютрекордной шириной спектра около 60 нм.Проведенныересурсныеиспытанияпродемонстрировалидостаточновысокую надежность разработанных СЛД. Хронограмма одного из такихиспытаний представлена на Рис.1.2.7 Спектральные характеристики СЛДизмерялись перед началом испытаний и в дальнейшем через каждые 3000 часовнепрерывной работы.
Важно отметить, что после наработки в 9000 час. (1 год)изменения величин λm и ∆λ не превышали 0,3% и 2,0% соответственно.Экстраполяция приведенных кривых дает для медианного времени жизни оценкуВыходная мощность (отн. ед.)в 35000 часов.Рис. 1.2.71,00,80,60,40,20,002000Хронограмма4000 6000Время (ч.)ресурсных8000 10000испытанийСЛДТипаII(La = 1400 мкм, PFS ≈ 35 мВт).Проведенные исследования позволили приступить к серийному выпускусветоизлучающих модулей новой серии SLD-34, включающей в себя 24 модели,отличающихся(см.приложение).выходнымиНаРис.характеристиками1.2.8проводитсяитипамисравнениекорпусовспектральных57характеристик новых приборов с характеристиками двугорбых приборов серииИнтенсивность (отн.
ед.)SLD-37.1,000,750,500,250,00800АКФ (отн. ед.)1,00SLD-34145 нм FWHM900SLD-37150 нм FWHM0,750,500,250,00-60Рис. 1.2.8820 840 860 880Длина волны (нм)а.-40 -200204060Оптическая разность хода (мкм)б.Спектры выходного излучения (а) и центральные пики АКФ (б)серийного модуля SLD-371 (пунктир) и нового модуля SLD-341.581.3 СЛД ближайшего ИК-диапазона с двугорбой формой спектрашириной до 100нм.ВведениеВскоре после создания лазерных квантоворазмерных полупроводниковыхгетероструктур (наногетероструктур) было показано, что ширина полосы ихоптического усиления может достигать ~100 нм [95]. В 1996 г. былиэкспериментально продемонстрированы суперлюминесцентные диоды (СЛД) сцентральной длиной волны излучения 820 нм и шириной трехгорбого спектра98 нм[46].Однакоимпульсно-непрерывнойэташиринаинжекциииполученаприхарактеризуеткомбинированнойусредненныйспектр.Мгновенные значения ширины спектра, определяющие длину когерентностиизлучения,былиприблизительнонатретьменьше.Позднеебылипродемонстрированы СЛД того же диапазона с шириной спектра до 91.5 нм,работавшие в непрерывном режиме [96].
Результаты этой работы не применялисьнапрактике,что,воспроизводимыхпо-видимому,параметровдлясвязанострудностьюиспользованнойвполученияактивнойобластиасимметричной четырехслойной наногетероструктуры.Внастоящеевремясерийновыпускаютсяширокополосныеквантоворазмерные СЛД, работоспособные в различных диапазонах спектра. Онинаходят применение в различных прикладных областях, среди которых первоеместо занимает оптическая когерентная томография [91].
В этом случае ширинаспектра является ключевым параметром, определяющим пространственноеразрешениеиспользуемойинтерференционнойметодики.ДляСЛДсцентральными длинами волн более 900 нм стонанометровый рубеж по ширинеполосы давно преодолен [97,98]. Что же касается коротковолнового, граничащегосвидимым,ИКдиапазона,товнастоящеевремяширинаспектрасоответствующих СЛД не превышает 70 нм. Напомним, что для «популярных»длин волн 1060, 980 и 830 нм полоса в 100 нм соответствует энергетическиминтервалам 0,11, 0,13 и 0,18 эВ соответственно.59Следует отметить, что в наиболее распространенных ОКТ системахофтальмологического назначения в качестве источников света чаще всегоиспользуются широкополосные СЛД именно ближайшего ИК диапазона, т. к. онсоответствует основному «окну прозрачности» глазной жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
