Суперлюминесцентный диод ( SLED или УОС ) является ребром излучающего полупроводникового источника света на основе сверхлюминесценции . Он сочетает в себе высокую мощность и яркость лазерных диодов с низкой когерентностью обычных светодиодов . Его оптическая ширина полосы излучения, также описываемая как полная ширина на половине высоты, может составлять от 5 до 750 нм. [1]
История [ править ]
Впервые о суперлюминесцентном диоде сообщили Курбатов и др. (1971) [2] [3] и Ли, Буррус и Миллер (1973). [4] [3] К 1986 году доктор Джерард А. Альфонс из RCA Laboratories (ныне SRI International ) изобрел новую конструкцию, позволяющую использовать суперлюминесцентные диоды большой мощности. [5] Этот источник света был разработан в качестве ключевого компонента в следующих поколениях волоконно-оптических гироскопов , низкокогерентной томографии для медицинской визуализации и лазеров с перестраиваемым внешним резонатором с приложениями для волоконно-оптической связи.. В 1989 году технология была передана GE-RCA в Канаде , которая стала подразделением EG&G . Суперлюминесцентные светоизлучающие диоды также иногда называют суперлюминесцентными диодами, суперлюминесцентными диодами или суперлюминесцентными светодиодами .
Принципы работы [ править ]
Суперлюминесцентный светоизлучающий диод, как и лазерный диод, основан на электрически управляемом pn переходе, который при смещении в прямом направлении становится оптически активным и генерирует усиленное спонтанное излучение в широком диапазоне длин волн . Пиковая длина волны и интенсивность SLED зависят от состава активного материала и от уровня тока инжекции. SLEDs разработаны для обеспечения высокого однопроходного усиления спонтанного излучения, генерируемого вдоль волновода, но, в отличие от лазерных диодов, недостаточной обратной связи для достижения генерации. Это достигается очень успешно за счет совместного действия наклонного волновода и граней с антибликовым покрытием (ARC).
Когда прикладывается прямое электрическое напряжение, генерируется инжекционный ток в активной области SLED. Как и большинство полупроводниковых устройств, SLED состоит из положительной ( p-легированной ) секции и отрицательной ( n-легированной ) секции. Электрический ток будет течь от p-секции к n-секции и через активную область, зажатую между p- и n-секцией. Во время этого процесса свет генерируется за счет спонтанной и случайной рекомбинации положительных (дырки) и отрицательных ( электроны ) электрических носителей, а затем усиливается при движении по волноводу SLED.
Pn-переход полупроводникового материала SLED спроектирован таким образом, что электроны и дырки имеют множество возможных состояний ( энергетических зон ) с разными энергиями. Следовательно, рекомбинация электрона и дырок генерирует свет с широким диапазоном оптических частот , то есть широкополосный свет.
Выходную мощность идеального SLED можно описать с помощью простой модели, не принимая во внимание спектральные эффекты и учитывая как равномерное распределение плотностей несущих, так и нулевые отражения от граней.
![P_ {out} = \ frac {h} {c} \ cdot \ nu \ cdot \ Pi \ cdot R_ {sp} \ frac {\ exp [(g- \ alpha) L] -1} {g- \ alpha}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d998c638e7a0caf3c8740e71ee3ebacd72200196)
Где h - постоянная Планка , ν - оптическая частота, optical размер оптической моды , R sp - скорость спонтанного излучения в управляемую моду, g - модальное усиление , α - нерезонансные оптические потери, L - длина активной канал и c скорость света .
Таким образом, выходная мощность линейно зависит от скорости спонтанного излучения и экспоненциально от оптического усиления. Очевидно, что для получения высокой выходной оптической мощности требуется высокое модальное усиление.
Основные характеристики [ править ]
Зависимость мощности от тока [ править ]
Полная оптическая мощность, излучаемая SLED, зависит от тока возбуждения. В отличие от лазерных диодов, выходная интенсивность не имеет резкого порога, но постепенно увеличивается с током. Мягкий излом на кривой зависимости мощности от тока определяет переход между режимом, в котором преобладает спонтанное излучение (типично для светодиодов с поверхностным излучением), и режимом, в котором преобладает усиленное спонтанное излучение (то есть суперлюминесценция). Даже если выходная мощность основана на спонтанном излучении, следует отметить, что механизм усиления влияет на состояние поляризации испускаемого излучения способом, который связан со структурой SLED и условиями эксплуатации.
Максимальное значение тока, обеспечивающее безопасную работу устройства, зависит от модели и колеблется от 70 мА (для SLED малой мощности) до 500 мА для самых мощных устройств.
Центральная длина волны и оптическая ширина полосы [ править ]
Оптическая мощность, излучаемая SLED, распределяется в широком спектральном диапазоне. Двумя полезными параметрами, которые связаны с распределением плотности мощности на разных длинах волн, являются ширина оптической полосы (BW) и максимальная длина волны, пиковая . Первый определяется как полная ширина на полувысоте (FWHM) кривой зависимости плотности мощности от длины волны при номинальных рабочих условиях, в то время как последняя соответствует длине волны, имеющей наивысшую интенсивность. Центральная длина волны , center определяется как центральная точка между двумя точками FWHM спектральной кривой; она может отличаться от максимальной длины волны, поскольку связана с асимметрией спектра.
Типичные значения для модулей SLED - это ширина полосы пропускания от 5 до 100 нм с центральными длинами волн, охватывающими диапазон от 400 до 1700 нм. Однако существует компромисс между максимальной выходной мощностью и полосой пропускания, причем последняя больше для устройств с более низкой выходной мощностью.
Спектральная рябь [ править ]
Спектральная пульсация - это мера изменения спектральной плотности мощности, которую можно наблюдать при небольшом изменении длины волны. Он может быть обнаружен с помощью анализаторов оптического спектра с высоким разрешением и может быть отнесен на счет остаточной отражательной способности граней микросхемы и соединительного волокна. Спектральная пульсация более очевидна в мощных устройствах и в основном около пиковой длины волны, где коэффициент усиления устройства выше. Он всегда присутствует в некоторой степени, но нежелателен, поскольку сильно влияет на свойства когерентности SLED (см. Раздел « Длина когерентности» ).
Некоторые SLED от определенных производителей демонстрируют чрезвычайно низкое значение пульсации даже при самых высоких уровнях мощности. Чрезмерный уровень оптического обратного отражения может вызвать неожиданные нарушения спектрального распределения SLED, которые не следует путать с пульсацией. Поэтому во время работы важно тщательно ограничивать обратную связь от любого дополнительного оборудования.
Поляризация [ править ]
Как описано выше, суперлюминесцентные светоизлучающие диоды основаны на генерации и усилении спонтанного излучения в полупроводниковом волноводе. Структура и состав материалов, используемых для микросхемы SLED, влияют на коэффициент усиления излучения во время распространения и приводят к различным коэффициентам усиления для разных ориентаций электрического поля ( усиление, зависящее от поляризации ). SLED, работающие в диапазоне длин волн 1300 и 1400 нм, в основном основаны на массивном материале и структуре чипа, которые характеризуются низкой поляризационной зависимостью усиления. Напротив, устройства, работающие в диапазоне 1550 и 1620 нм, в основном используют квантовую яму.(QW) активная область с сильным поляризационно-зависимым усилением. Оптическое поле, излучаемое микросхемами SLED, представляющее собой комбинацию неполяризованного спонтанного излучения и усиленного излучения, поэтому имеет определенную степень поляризации (DOP).
Полезной величиной, которая описывает поляризационные характеристики излучения SLED, является коэффициент ослабления поляризации (PER). Это соотношение между максимальной и минимальной интенсивностями, измеренными после вращающегося линейного поляризатора.
Коэффициент ослабления поляризации массивных чипов составляет около 8–9 дБ, в то время как для кристаллов с квантовыми ямами он может достигать 15–20 дБ. Когда микросхемы SLED соединяются с волокнами пигтейлов, изгиб и наматывание пигтейлов обычно изменяют состояние поляризации на выходе волокна. Модули, снабженные гибкими выводами волокна с сохранением поляризации (PM), демонстрируют высокие значения (> 15 дБ) коэффициента ослабления поляризации, которые не зависят от изгиба волокна. Коэффициент ослабления поляризации излучения зависит также от управляющего тока, имеющего максимальное значение при максимальном управляющем токе. Напротив, состояние поляризации на выходе стандартного пигтейла SM-волокна является произвольным, но его можно просто изменить с помощью контроллера поляризации, и можно легко достичь коэффициентов ослабления около 10 дБ.
Относительная интенсивность шума (RIN) [ править ]
На оптическую мощность, излучаемую полупроводниковыми активными устройствами, всегда влияют флуктуации (шум интенсивности), вызванные спонтанным излучением. Когда излучаемая мощность обнаруживается широкополосным квадратичным детектором, шум интенсивности будет преобразован в флуктуации тока, а измеренный фототок будет включать постоянный член I 0 , пропорциональный средней оптической интенсивности, и член, зависящий от времени, I n , связанный с колебаниями интенсивности.
Спектральное распределение шумового члена в фототоке может быть измерено с помощью анализатора электрического спектра в радиочастотном (RF) диапазоне, который ограничен электрической шириной полосы используемого детектора. Результирующий спектр шума напрямую связан с шумом оптической интенсивности и, как правило, зависит от радиочастоты .
С помощью этого измерения можно оценить полезный параметр, который предоставляет количественную информацию о шуме оптического источника: это шум относительной интенсивности (RIN), то есть отношение спектральной плотности мощности шумового тока I n , измеренное в течение заданной ширины полосы пропускания и квадратного значения среднего фототока I 0
Таким образом, RIN представляет собой отношение мощности шума к средней мощности после обнаружения; используемая единица измерения - дБ / Гц. Типичные значения, измеренные для SLED в диапазоне частот от постоянного тока до 500 МГц, приведены в таблице.
| SLED центральная длина волны | 100 мА | 150 мА | 200 мА | 300 мА | 400 мА | 500 мА |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1550 нм | −121,5 | -123,5 | ||||
| 1550 нм | -124,5 | -127,5 | -128,0 | -129,5 | -130,0 | |
| 1300 нм | -123,5 | -125,0 | −126,5 | -127,0 | -127,5 | |
| 1300 нм | -124,0 | -124,5 | ||||
| 1600 нм | -123,0 | -123,0 |
Они зависят от инжектируемого тока (точнее от выходной мощности) и от диапазона частот ВЧ. Самые высокие измеренные значения никогда не превышают −119 дБ / Гц для частот выше 5 ГГц, в то время как наименьшее значение (около 127 дБ / Гц) достигается самыми мощными SLED в окне 1310 нм и в частотном диапазоне, ограниченном значениями меньше чем 500 МГц. Считается, что частотная зависимость RIN связана с эффектами пространственной корреляции, вызванными насыщением усиления.
Следует отметить, что, хотя использование узкополосных оптических фильтров перед детектором обычно приводит к снижению обнаруживаемого шума, относительный шум интенсивности SLED может увеличиваться. Такое поведение, присутствующее в основном в сверхмощных SLED, аналогично тому, что наблюдается с многомодовыми лазерными диодами Фабри-Перо, где фильтрация делает очевидным наличие шума разделения мод (в основном на низких радиочастотах) из-за конкуренции между несколькими модами генерации.
Характеристики модуляции [ править ]
Модуляции интенсивности SLED можно легко добиться путем прямой модуляции тока смещения. Модули SLED не имеют внутренних оконечных резисторов, поскольку при работе при относительно высоких токах потребуется чрезмерное охлаждение для компенсации рассеивания тепла резистором. Для достижения наилучших характеристик некоторая внешняя сеть, которая уменьшает рассогласование импеданса между усилителем драйвера, обычно требует нагрузок 50 Ом, и низкий импеданс микросхемы (несколько Ом) был бы предпочтительнее. Как показано на рисунке, время отклика около 1 нс, коэффициент ослабления 27 дБ и ширина полосы 3 дБ, превышающая 200 МГц, могут быть легко достигнуты.
Аналогичные результаты могут быть получены также для прямой модуляции SLED в корпусе типа «бабочка», как показано на рис. Оптически индуцированная модуляция позволяет использовать возможности высокоскоростной модуляции микросхемы, когда они не подвержены влиянию паразитных параметров корпуса; как показано на рис., в этом случае может быть достигнута полоса пропускания 3 дБ, превышающая 10 ГГц, также для корпусных SLED.
Длина когерентности [ править ]
SLED - это оптические источники с довольно широкой оптической полосой пропускания. В том, что они отличаются от обоих лазеров, которые имеют очень узкий спектр, и источников белого света, которые имеют гораздо большую спектральную ширину. Эта характеристика в основном отражается в низкой временной когерентности источника (которая представляет собой ограниченную способность излучаемой световой волны сохранять фазу во времени). Однако SLED могут демонстрировать высокую степень пространственной когерентности, что означает, что они могут быть эффективно объединены в одномодовые оптические волокна . Некоторые приложения используют преимущества низкой временной когерентности источников SLED для достижения высокого пространственного разрешения в методах построения изображений. Длина когерентности, L c, - величина, часто используемая для характеристики временной когерентности источника света. Это связано с разностью хода между двумя плечами оптического интерферометра, на которых световая волна все еще способна генерировать интерференционную картину. Для источников, имеющих гауссово спектральное распределение , значение L c обратно пропорционально спектральной ширине, BW, так что полная ширина на полувысоте (FWHM) спектральной плотности мощности может быть связана с L c посредством уравнения
,
где - центральная длина волны испускаемого излучения. В качестве примера ожидается, что SLED, работающий около 1300 нм и с оптической полосой пропускания 100 нм, будет иметь длину когерентности около 17 мкм. С практической точки зрения более подходящим является определение, не зависящее от спектрального распределения (негауссовский спектр) источника. Если для оценки длины когерентности используется оптический интерферометр (см. Рис. 11 a и b), полезной величиной является значение FWHM видимости, то есть относительная амплитуда [(I пик - I впадина ) / (I пик + I долина )] вариаций интенсивности, оцененных как функция дисбаланса интерферометра.
SLED демонстрируют большую спектральную ширину даже при самых высоких уровнях мощности, так что легко достигаются соответствующие значения FWHM видимости менее 20 мкм.
Наличие чрезмерной спектральной пульсации (см. Раздел «Спектральная пульсация») в спектральной плотности мощности приводит к наличию боковых лепестков) на кривой видимости, которая может ограничивать как пространственное разрешение, так и чувствительность измерительных систем на основе SLED. SLED некоторых производителей имеют очень низкие боковые лепестки и позволяют проводить измерения с большим динамическим диапазоном.
Технические проблемы [ править ]
С одной стороны, SLED - это полупроводниковые устройства, оптимизированные для генерации большого количества усиленного спонтанного излучения (ASE). Для этого они включают секции усиления высокой мощности, в которых спонтанное излучение затравки усиливается с высокими коэффициентами усиления 30 дБ или более.
С другой стороны, в SLED отсутствует оптическая обратная связь, поэтому лазерное воздействие невозможно. Оптическая обратная связь, возникающая в результате обратного отражения света от оптических компонентов, таких как, например, разъемы, в полость, подавляется посредством наклона граней относительно волновода и может быть дополнительно подавлена с помощью антиотражающих покрытий. Избегают образования резонаторных мод и, таким образом, ярко выраженных структур в оптическом спектре и / или сужения спектра.
Поэтому естественно, что даже небольшие обратные отражения усиливаются внутри кристалла SLED аналогичным образом, создавая уровни оптической мощности в несколько десятков милливатт на задней грани, что может разрушить устройство SLED. SLED должны быть тщательно защищены от внешней оптической обратной связи. Даже небольшие уровни обратной связи могут уменьшить общую ширину полосы излучения и выходную мощность, а иногда даже привести к паразитной генерации, вызывая узкие всплески в спектре излучения. Некоторые устройства могут даже быть повреждены оптической обратной связью. Обратите внимание, что отражение Френеля от перпендикулярно сколотого конца волокна уже значительно превышает допустимый уровень обратной связи. Если невозможно избежать обратных отражений, необходимо установить оптический изолятор непосредственно за модулем SLED.Изолятор обеспечивает низкие вносимые потери от SLED к волокну и высокие вносимые потери в обратном направлении. Однако на рынке присутствуют SLED от некоторых производителей компонентов, которые имеют искробезопасную конструкцию с высокой устойчивостью к оптическим обратным отражениям.
В той же степени, что и лазерные диоды, суперлюминесцентные светоизлучающие диоды чувствительны к электростатическим разрядам и всплескам тока, например, от плохо спроектированной электроники драйвера. При выборе источника тока для работы SLED особое внимание следует уделять характеристикам низкого уровня шума. Опять же, некоторые поставщики предлагают электронику драйвера, специально разработанную для того, чтобы справляться, с одной стороны, с высокими требованиями к мощности и низким уровнем шума, а с другой - защищать источники света от разряда и всплесков. При бережном обращении и надлежащей эксплуатации в соответствии со спецификациями SLED могут легко прослужить десятки тысяч часов работы.
Доступность SLED [ править ]
Благодаря вышеупомянутой оптимизированной конструкции оптического резонатора SLED демонстрируют высокую выходную мощность, большую полосу пропускания и низкую остаточную спектральную пульсацию, что делает их идеальным источником света для ряда приложений. В зависимости от требований и спецификаций приложения SLED-устройства доступны в различных корпусах или форм-факторах, охватывающих широкий диапазон длин волн и уровней мощности. В комплект входят охлаждаемые 14-контактные модули с двойным входом (DIL) и «бабочка» (BTF) или недорогие неохлаждаемые устройства TOSA и TO-56. Модули SLED включают суперлюминесцентные светодиоды на основе фосфида индия (InP), работающие в диапазоне длин волн (от 1100 до 1700 нм), а также устройства на основе арсенида галлия (GaAs), работающие от 630 до 1100 нм. Использование Конструкции на основе нитрида галлия (GaN) являются прорывом для SLED в ультрафиолетовом и синем спектральном диапазоне.
SLED коммерчески доступны у ряда поставщиков, например Denselight (Сингапур), EXALOS (Швейцария), InPhenix (США), Superlum (Ирландия) или Thorlabs Quantum Electronics (США). Предлагаемый ассортимент продукции сильно различается от поставщика к поставщику в зависимости от длины волны, мощности и полосы пропускания. Другие примеры включают Zeiss Plex Elite 9000 SLD на 750 нм и LD-PD inc SLD на 1480 нм и 1530 нм.
Применение SLED [ править ]
SLED находят применение в ситуациях, требующих высокой интенсивности и пространственной когерентности, но где потребность в широком, гладком оптическом спектре выходного сигнала делает лазерные диоды непригодными. Некоторые примеры включают оптическую когерентную томографию , интерферометрию белого света , оптическое зондирование и волоконно-оптические гироскопы .
Внешние ссылки [ править ]
- Энциклопедия лазерной физики и техники запись
- Краткий обзор принципов работы устройства и параметров производительности (PDF).
Ссылки [ править ]
- ^ Ooi, BS; Cha, D .; Нг, ТЗ; Маджид, Массачусетс; Хан, МЗМ (01.10.2013). «Одновременное квантовое излучение тире в чирпированном суперлюминесцентном диоде типа« тире в ячейке »со спектральной шириной полосы> 700 нм». Письма об оптике . 38 (19): 3720–3723. DOI : 10.1364 / OL.38.003720 . hdl : 10754/312253 . ISSN 1539-4794 . PMID 24081035 .
- ^ "Исследование суперлюминесценции, испускаемой диодом из арсенида галлия" . ResearchGate . Проверено 20 января 2019 .
- ^ a b Miller, SE; Ли, Тинье; Маркатили, EAJ (1973). «Часть II: Устройства и системные соображения». Труды IEEE . 61 (12): 1726–1751. DOI : 10,1109 / PROC.1973.9362 . ISSN 0018-9219 .
- ^ Ли, Тянь-Пей; Burrus, C .; Миллер, Б. (1973). «Диод с усиленной спонтанной эмиссией (суперлюминесцентный) с двойной гетероструктурой с полосковой геометрией». Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (8): 820–828. DOI : 10,1109 / JQE.1973.1077738 . ISSN 0018-9197 .
- ^ Альфонс, Джорджия; Гилберт, ДБ; Харви, MG; Эттенберг, М. (1988). «Суперлюминесцентные диоды большой мощности». Журнал IEEE по квантовой электронике . 24 (12): 2454–2457. DOI : 10.1109 / 3.14376 . ISSN 0018-9197 .
