Полупроводниковый лазер, созданный в 1962 г. [1] - за несколько лет до того как оптоэлектроника и интегральная оптика сформировались как самостоятельные научные направления, занял в них ведущее положение. Наиболее широкое распространение получили инжекционные лазеры на основе полупроводниковых соединений группы AMIBV благодаря их следующим, ныне общеизвестным, достоинствам: высокая эффективность прямого преобразования электрической энергии в когерентное излучение, миниатюрность, монолитность, обеспечивающая механическую надежность, простота накачки и управления выходным излучением, обеспечиваемых низковольтными электронными устройствами, быстродействие, возможность использования методов интегральной планарной технологии при изготовлении, допустимость интеграции с электронными полупроводниковыми микросхемами и пассивными интегрально-оптическими элементами.
До конца 60-х годов инжекционные лазеры изготавливались главным образом на основе полупроводниковых гомоструктур, содержащих сильно легированный р-n переход. Такие «гомолазеры» обладали сильной температурной зависимостью порогового тока и могли эффективно работать только при криогенных температурах. Это обстоятельство сильно сдерживало их практическое использование. Резкий прогресс энергетических параметров инжекционных лазеров (снижение пороговых токов при комнатной температуре более чем на порядок) связан с использованием полупроводниковых гетероструктур.
Идея использования гетероструктур в полупроводниковой электронике была выдвинута уже на заре ее развития. Одни из самых важных теоретических изысканий были выполнены Г. Кремером, который ввел понятие квазиэлектрических и квазимагнитных полей в плавном гетеропереходе и предположил, что гетеропереходы могли бы иметь чрезвычайно высокую эффективность инжекции по сравнению с гомопереходами [2−3]. В то же самое время развивались различные идеи относительно использования полупроводниковых гетероструктур в солнечных элементах. В 1966 г. группа Ж. И. Алферова сформулировала основные преимущества полупроводниковых гетероструктур: суперинжекция носителей, оптическое и электронное ограничение.
Теоретические изыскания продвигались существенно быстрее экспериментальных, так как основным препятствием было отсутствие решеточно-согласованных систем. Однако к концу 1966 г. Ж. И. Алферову с коллегами удалось получить методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) первую решеточно-согласованную AlGaAs-гетероструктуру. Одновременно с группой Ж. И. Алферова аналогичные результаты были получены и в лаборатории IBM X. Руппрехтом и Дж. Вудолом. Дальнейший прогресс в области создания полупроводниковых приборов и, в частности, лазеров на основе гетеропереходов был стремительным. Был создан ряд важных приборов, в которых были реализованы основные преимущества гетероструктур: низкопороговые лазеры на основе односторонних (ОГС) и двусторонних (ДГС) гетероструктур, работоспособные при комнатной температуре (до этого времени лазеры на гомопереходах работали только при криогенных температурах), высокоэффективные светоизлучающие диоды (СИД) на основе ОГС и ДГС, солнечные элементы на гетероструктурах, биполярные транзисторы и тиристорные переключатели.
В начале 70-х годов в НИИ «Полюс» JI. А. Ривлиным с сотрудниками при исследовании полупроводниковых лазерных усилителей (ПЛУ) впервые для подавления положительной оптической обратной связи была использована структура с узким активным каналом, ось которого имела наклон по отношению к нормали к торцевым граням кристалла. Особое внимание было уделено излучательным характеристикам таких устройств в режиме усиления собственного спонтанного излучения [4, 5]. Тогда же было впервые введено понятие суперлюминесцентного диода (СЛД). При исследовании свойств СЛД было обнаружено, что его спектральные характеристики очень похожи на характеристики СИД, в то время как выходные мощности на порядки выше и приближаются к оным у лазерных диодов (ЛД). Параллельно и независимо аналогичные исследования проводились в НИИ Прикладной физики под руководством Jl. Н. Курбатова [6, 7].
Благодаря комбинации высокой выходной мощности с большой шириной спектра излучения и, соответственно, с малой длиной когерентности СЛД нашли широкое практическое применение. Можно выделить три основных области практического применения суперлюминесцентных диодов: оптическая спектроскопия, оптические телекоммуникационные системы и интерферометрия. Каждая из прикладных областей требует использования источников излучения определенного диапазона длин волн и выходных мощностей. Так, например, датчики деформации и напряжений, использующиеся при создании самолетов, кораблей и сложных инженерных сооружений, относящиеся к области оптической спектроскопии, используют источники излучения с длинами волн от 1300 до 1600 нм и выходными мощностями от 5 до 100 мВт. При создании газоанализаторов (детектирование метана, СО и СО2) используются длины волн от 800 до 2000 нм и мощности излучения от 5 до 50 мВт. В телекоммуникационных линиях связи СЛД используются для создания перестраиваемых лазеров и полупроводниковых оптических усилителей, обеспечивающих работу систем со спектральным уплотнением каналов на значительной протяженности оптоволоконных линий связи. Выбор длин волн для телекоммуникационных применений обусловлен свойствами применяемых оптических световодов и лежит в диапазоне от 1300 до 1600 нм, причем следует отметить, что усиление сигнала в полупроводниковых оптических усилителях может достигать 20−30 дБ.
Рассматривая применение СЛД в интерферометрии, необходимо отметить ряд требований, предъявляемых к СЛД в зависимости от решаемых задач. Так, например, при создании волоконно-оптических гироскопов немаловажную роль играет энергопотребление, а также ширина спектра источников излучения, так как большая ширина спектра излучения дает меньшее время когерентности, а это, в свою очередь, повышает точность позиционирования при малых углах отклонения. Для источников света, применяемых в оптической когерентной томографии (ОКТ), необходимо обеспечить максимально возможную ширину линии излучения в сочетании с высокой выходной мощностью в определенном диапазоне длин волн в зависимости от объекта исследования. ОКТ является важнейшей биомедицинской технологией, позволяющей получать изображения высокого разрешения. Используя данную технологию, можно получать неразрушающим методом в реальном времени изображения сечений различных биологических тканей с микронным разрешением.
Свойства СЛД позволяют значительно улучшить технические характеристики систем ОКТ, радикально усовершенствовав методы, с помощью которых ученые исследуют структуру биологических тканей и других объектов [9]. Увеличение ширины спектра излучения и подавление мод резонатора Фабри-Перо в СЛД позволяют снизить длину когерентности до нескольких микрометров, соответственно повысив пространственное разрешение метода. Высокий уровень выходной мощности позволяет повысить скорость получения томограмм в офтальмологии, гастроэнтерологии и других областях медицины. В частности, некоторые современные системы ОКТ позволяют наблюдать изображение сечений исследуемых объектов в реальном масштабе времени.
На сегодняшний день существует целый ряд альтернативных низкокогерентных источников света, многие из которых широко представлены на рынке современной оптоэлектроники. Данные приборы демонстрируют широкий диапазон выходных параметров излучения и принципов их работы. Можно выделить несколько основных типов коммерчески доступных приборов: источники «белого света» на основе ламп накаливания, волоконные источники излучения на основе легированных редкоземельными элементами световодов, светоизлучающие диоды (СИД) и твердотельные лазеры — генераторы ультракоротких оптических импульсов (УКИ). Для полноты картины соответствующего целесообразно кратко рассмотреть преимущества и недостатки указанных приборов в сравнении с источниками излучения на основе СЛД.
Источники «белого света» на основе ламп накаливания демонстрируют широкий спектр излучения, охватывающий диапазон длин волн от 350 нм до нескольких микрометров (инфракрасный (ИК) диапазон). Помимо этого несомненного преимущества перед всеми остальными приборами, включая СЛД, ламповые источники излучения обладают целым рядом недостатков, ставящих под сомнение целесообразность их применения в указанных выше областях: низкий коэффициент полезного действия (КПД), трудности ввода излучения в световод, невысокая спектральная плотность мощности излучения, сравнительно большие размеры приборов.
Волоконные источники излучения на основе легированных редкоземельными элементами световодов характеризуются широким спектром излучения, высокой выходной мощностью и малыми габаритами, однако, помимо очевидных достоинств, они обладают и рядом недостатков. Основными недостатками можно считать высокую стоимость подобных световодов, необходимость использования мощных дорогостоящих лазерных диодов накачки, возможность работы в ограниченных интервалах длин волн ИК-диапзона спектра (например, для волокон, активированных Ег, центр излучения лежит в районе 1550 нм), отсутствие подобных источников в ближнем ИК-диапазоне.
Светоизлучающие диоды обладают достаточно широким спектром излучения, «перекрывают» большой диапазон длин волн (начиная с ультрафиолетового (УФ) диапазона и заканчивая ИК-диапазоном), компактны, но, как и ламповые источники излучения, имеют низкую эффективность ввода излучения в световод благодаря сравнительно большому телу свечения и малой направленности излучения, низкую спектральную плотность.
Твердотельные лазеры — генераторы УКИ обладают широким спектром излучения, высокой выходной мощностью, нечувствительны к обратным связям. Тем не менее, они имеют два существенных недостатка, препятствующих их широкому распространению: высокая стоимость и достаточно большие габариты приборов.
Завершив обзор альтернативных источников излучения, можно более детально рассмотреть преимущества и недостатки светоизлучающих приборов на основе СЛД.
Суперлюминесцентный диод является усилителем собственного спонтанного излучения и отличается от полупроводниковых лазеров геометрией активного элемента и покрытиями, наносимыми на выходные грани излучателя. При изготовлении полупроводникового лазера на выходную грань обычно наносится полупрозрачное покрытие, а на заднюю грань — сильно отражающее покрытие. В случае традиционных СЛД на обе грани наносится антиотражающее покрытие (АОП), обеспечивающее эффективный коэффициент отражения порядка 10″ 4. Таким образом, очевидно, что для обеспечения выходных мощностей, сопоставимых с мощностями ЛД, необходимо реализовать гораздо более высокое оптическое усиление в активном канале, так как СЛД работает в однопроходном режиме.
В качестве иллюстрации сложности создания СЛД с низкой остаточной модуляцией спектра излучения модами Фабри-Перо ниже приведены расчеты спектров излучения для различных коэффициентов отражения АОП граней кристалла [10−11]. Для простоты расчетов в качестве образца был взят СЛД с узким активным каналом, представляющим гребневидный световод, ось которого ортогональна торцевым граням кристалла (Рис. 1(а, б)).
Излучение, распространяющееся в активном канале, представляет собой набор дискретных волн, образующихся в результате отражений от внутренних стенок волновода при полном внутреннем отражении. Но распространение этих волн внутри волновода возможно лишь в том случае, если они проходят под определёнными (дискретными) углами по отношению к стенкам волновода. Такие световые лучи образуют моды волновода. Световые же потоки излучения, распространяющиеся под углами, отличными от «разрешённых» дискретных значений, взаимно компенсируются и гасятся внутри волновода. Большинство практических применений требуют наличия только моды низшего порядка. Требуемая ширина одномодового волновода (w) может быть оценена по формуле [8]: где Я — длина волны излучения, пу — коэффициент преломления накачиваемой активной области под гребневидным узким активным каналом, а п&bdquo— коэффициент преломления не накачиваемой области.
При преобладании процессов вынужденного излучения над поглощением структура обладает оптическим усилением. Однопроходное оптическое усиление (Gs) определяется следующим выражением: где La — длина активного канала, g0 — удельный коэффициент усиления, а а-удельный коэффициент поглощения.
Таким образом, подобный СЛД может быть использован в качестве полупроводникового лазерного усилителя (ПЛУ). В свою очередь, ПЛУ может быть преобразован в полупроводниковый лазер путем внесения положительной обратной связи по излучению. Простейший резонатор Фабри-Перо может быть получен в результате скалывания граней кристалла перпендикулярно оси волновода. Появление положительной обратной связи приводит к тому, что коэффициент оптического усиления G этого многопроходного прибора становится отличным от однопроходного усиления Gs. При заданных коэффициентах отражения от передней и задней грани излучателя (/?/и R2 соответственно (для сколов без АОП их величина Я.
XV <
1).
Gs=exp[(go-a)La].
2) составляет порядка 0.3)), усиление световой волны, выходящей сквозь переднюю грань кристалла, описывается известным выражением: где р — константа фазового распространения активного волноводаЛдлина волны излучения в свободном пространстве, nejf — эффективный показатель преломления волновода.
Соответствующее выражение для коэффициента усиления встречной волны может быть получено заменой /?/И R2 в выражении для Я.
Самовозбуждение лазера (лазерный порог генерации) наступает, когда оптическое усиление G стремится к бесконечности. Это происходит при условии, когда К= 1 и pLa=m7t, где т — целое число. Выше порога лазерной генерации оптическое усиление насыщается, а выходная мощность излучения определяется исключительно количеством инжектированных носителей (током накачки).
Как показано на Рис. 1(в), выходной спектр излучения лазера представляет собой серию дискретных узких спектральных пиков, являющихся результатом явления резонансного сложения оптических волн, происходящего внутри резонатора. При этом условие резонансного сложения выполняется в случае, когда вдоль длины резонатора укладывается целое число полуволн излучения.
3) н = (1 -4rx)2(1 + ДУ, к = Jrj2gs, р = ,.
2 т.
4).
Волноводные слои.
Активная область п-подложка.
Рис. 1 (а). Структура СЛД с прямым гребневидным волноводом.
АОП.
Р2.
АОП Pi w Ri.
Рис. 1 (б). Вид сверху, иллюстрирующий отражение излучения на торцах СЛД.
1548 1549 1550 1551.
Длина волны, нм.
Рис. 1 (в). Спектр излучения лазера.
Ниже лазерного порога генерации (Л>1), в соответствии с (3), форма контура усиления переходит в серию максимумов и минимумов в зависимости от длины волны. При этом Gmax соответствует условию /3La=mn (или cos (2/?La)=l), a G, W/.V — условию Д, д=(т-%)-г (или cos (2/?L0)=-l). При этом периодические изменения в спектральной плотности излучения в зависимости от длины волны, обусловленные вышеописанными изменениями оптического усиления, принято характеризовать величиной глубины спектральной модуляции (w.s): щ — ~ Сжу 2/f ^.
Gmx + Gkus 1 +.
Как следует из вышеизложенного, глубина спектральной модуляции будет тем ниже (спектр излучения будет тем более гладким), чем меньшими будут коэффициенты отражений от торцевых граней прибора и чем меньшим будет однопроходное усиление (G$). Для СЛД очень важным и критичным параметром как раз и является величина спектральной модуляции, которая должна быть по возможности минимизирована. Так, типичные значения этой величины для серийно выпускаемых приборов данного класса обычно не превышают 5%. Результаты расчета спектра излучения СЛД в зависимости от коэффициента отражения АОП, нанесенных на выходные грани кристалла, представлены на Рис. 2.
0.6.
0.4.
0.0 3.
X Iо.
1.0.
0.8.
0.6.
0.4.
Л Iо о X ш S.
О 0.2 О).
X 0.0.
0.0 а) R=R2=10″ 4- т= 0.9% 1 1 1 ¦ i 1 б).
R=R=5* 10″ 4- ш=4.6% 7 z о 1 1 1 1 1 1.
1.0.
0.8.
0.6.
0.4.
0.2.
R=R=0.3- т =100% в).
Длина волны, нм.
Рис. 2. Спектры излучения СЛД в зависимости от коэффициента отражения выходных граней: Ю" 4 (а), 5*10'4 (б) и 0.3 (АОП отсутствует) (в).
Идеальный СЛД или ПЛУ характеризуется величиной О даже при очень высоком однопроходном усилении, для чего необходимо выполнить условие /?/=/?2~0. В этом состоит главное отличие СЛД от лазера: для создания лазера вовсе не требуется большое однопроходное усиление. В типичном лазере на основе резонатора Фабри-Перо на переднюю грань кристалла наносится покрытие с коэффициентом отражения Rj-OA, а на заднюю грань наносится покрытие с коэффициентом отражения на рабочей длине волны лазера.
2~0.9. В результате получаем =0.3, что при подстановке в (4) позволяет определить требуемое усиление для достижения порога генерации (К= 1) равному Gs=333. При токах накачки, выше пороговых значений, мощность излучения лазера возрастает линейно с увеличением тока инжекции.
С другой стороны, выходная мощность излучения СЛД (Р) определяется усиленным спонтанным излучением ниже порога лазерной генерации, зависящим от однопроходного усиления Gs. В случае если отражениями от передней и задней граней излучателя можно пренебречь, то плотность мощности выходного излучения СЛД описывается следующей зависимостью: где, А — коэффициент, зависящий от поперечных размеров усилителя, его волноводных свойств и пропускания выходного торцаS (A) -спектральная плотность мощности спонтанного излучения.
В случае же, если обратными отражениями от боковых граней пренебречь нельзя, плотность мощности выходного излучения с переднего торца прибора описывается выражениям:
Выражение для плотности мощности излучения с обратного торца прибора можно получить путём перестановки R/ и /?2 в выражении (7). яМ-а.
6).
Р (Л) = А g0(A)-a + K2−2Kcos (2{ILa) '.
7).
Так как спектрально-пространственная плотность мощности (яркость) спонтанного излучения достаточно мала, для получения высоких уровней мощностей излучения на выходе СЛД требуются величины однопроходного усиления порядка 103. Как следует из выражений (3), (6), (7) это может быть реализовано путём увеличения плотности тока инжекции, а также увеличением длины активного канала (La). При этом зависимость выходной мощности от вышеуказанных параметров будет носить суперлинейный характер.
Таким образом, основные требования и конструктивные особенности, которые должны быть учтены при проектировании СЛД, можно представить в следующем виде:
—————————yyi.
Gs>> (8).
2 Us где ms — допустимая величина спектральной модуляции излучения, обусловленной обратными отражениями (5).
Исходя из вышеизложенных требований и условий, могут быть рассмотрены два используемых на практике режима работы СЛД и ПЛУ: однопроходный режим, когда коэффициентами отражения от обеих граней прибора можно пренебречь. При этом они должны быть настолько малы, чтобы полностью удовлетворять условиям (8). Второй режим работы СЛДдвухпроходный, когда одним из коэффициентов отражения пренебречь уже нельзя, но, при этом, коэффициент отражения от другой грани настолько мал, чтобы удовлетворять условиям (8). В первом случае выражение (7) переходит в выражение (6) и уровни мощности с обеих граней одинаковы.
В двухпроходных СЛД, за счёт того, что коэффициент отражения света от одной из граней достаточно велик, часть распространяющейся световой волны отражается от этой грани и идёт в обратную сторону, усиливаясь по ходу продвижения в волноводе. В предположении, что задняя грань излучателя (R2) имеет достаточно большой коэффициент отражения, при котором можно пренебречь уровнем отражения от передней грани, выражение для плотности мощности выходного излучения с передней грани запишется в следующем виде:
Р0(Л)" А — (Gs ~)(R2Gs +) *A f R22Gs2(A), (9) в то время как выражение для плотности мощности излучения со стороны задней грани получается перестановкой Rt и R2 в (9).
Сопоставляя выражения (6) и (9), описывающие работу СЛД и оптических усилителей в однопроходном и двухпроходном режимах усиления излучения соответственно, легко заметить, что мощность выходного излучения в первом случае прямо пропорциональна величине однопроходного усиления Gs, в то время как в двухпроходном приборе она уже пропорциональна квадрату однопроходного усиления. Таким образом, режим двухпроходного усиления является более эффективным в смысле получения заданных уровней мощности излучения, чем однопроходный, что позволяет, например, использовать в первом случае приборы с более короткими длинами активных каналов, а также накачивать их меньшими плотностями тока для получения аналогичных уровней мощностей. Однако, при этом, двухпроходные приборы более чувствительны к обратным оптическим отражениям от торцевых граней излучателя. Поэтому для номинально заданных уровня выходной мощности и величины спектральной модуляции требуется обеспечение и воспроизведение очень низкого коэффициента оптического отражения со стороны одной из граней. Так, например, при G. s-100, a R2= 1, величина Ri в соответствии с (8) должна быть равна 2.5−10″ 9 для обеспечения уровня спектральной модуляции ту=%. В то время как у однопроходного СЛД с G^IO4 и т$= 1%, Я/ = R2 должны быть на уровне 10″ 7.
В действительности, достижение коэффициентов отражения от торцевых граней кристалла на уровне 10″ 6 — 10″ 9 для всего спектрального диапазона излучения СЛД представляется задачей крайне трудоёмкой и, практически, невыполнимой в случае нанесения однослойного антиотражающего покрытия. Для очень качественных антиотражающих покрытий может быть получен уровень обратных отражений излучения до 10″ 4 и лишь в узком спектральном диапазоне длин волн. Использование многослойных покрытий может дать аналогичные результаты и для относительно более широкого спектрального диапазона, но, как правило, разработка и нанесение подобных покрытий задача также очень трудоёмкая как в технологическом, так и в экономическом плане. Помимо использования АОП с низким остаточным коэффициентом отражения для подавления остаточной модуляции спектра излучения модами резонатора Фабри-Перо используют различные подходы к созданию активного элемента, например, наклон мезаполоскового активного канала относительно выходных граней кристалла или создание оптических поглотителей у задней выходной грани кристалла (Рис. 3). В первом случае отразившаяся от торцевой грани часть излучения просто выходит из области волновода, частично или полностью поглощаясь затем в объёме полупроводника или выходя наружу через боковые поверхности кристалла. Этот процесс проиллюстрирован на Рис. 3(a). В этой конструкции СЛД имеется только слабая положительная обратная связь из-за дифракции отраженного излучения. Стоит отметить, что внешний угол выхода суперлюминесцентного излучения в случае реализации такой конструкции больше, чем угол наклона полоска в соответствии с законом Снеллиуса, что требует, в дальнейшем, монтажа кристалла на хладопроводе под соответствующим углом.
Рис. 3(a). СЛД с наклонным активным каналом. Отразившееся от выходных граней излучение не попадает обратно в волновод, поглощаясь в материале суперлюминесцентного диода, либо выходя наружу через боковые грани излучателя. Таким образом можно снизить требования к остаточному коэффициенту отражения антиотражающего покрытия.
Рис. 3(6). Двухсекционный СЛД, включающий наклоненный активный канал с АОП на выходной грани и заземленную поглощающую секцию на задней грани. Электрическая изоляция секций осуществляется путем удаления рслоя в разделительной канавке между активным каналом и поглотителем. При этом величина разделительного сопротивления лежит в пределах от 500 до 1500 Ом, чего вполне достаточно для надежной электрической изоляции секций.
Несмотря на достаточно сложную технологию изготовления СЛД, они нашли широкое применение в промышленных установках, медицинских диагностических приборах, метрологических установках волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), навигационном оборудовании и многих других областях деятельности человека благодаря своим преимуществам перед альтернативными широкополосными источниками излучения.
Приведем кратко основные преимущества суперлюминесцентных диодов:
— широкий спектр излучения;
— высокая выходная мощность;
— простота ввода излучения в одномодовый световод;
— возможность создания излучателей в широком оптическом диапазоне (от 660 до 1700 нм);
— малые габариты светоизлучающего модуля с волоконным выходом, как следствие — простота интеграции в оптоэлектронные схемы и установки;
— большой ресурс работы (до десятков тысяч часов);
— сравнительно невысокая стоимость.
Несмотря на большой выбор источников излучения на основе СЛД, представленных на рынке оптоэлектроники на сегодняшний день, динамично развивающиеся вышеназванные научно-прикладные области (спектроскопия, оптическая метрология, оптическая когерентная томография и ряд других) постоянно повышают требования к широкополосным источникам излучения. Поэтому цель данной работы заключалась в разработке источников излучения на основе СЛД с выходными параметрами, превосходящими аналогичные приборы, коммерчески доступные на сегодняшний день.
В рамках диссертационной работы велись исследования по следующим направлениям:
— создание высокоэффективных маломощных суперлюминесцентных диодов, работающих при низких токах инжекции (вплоть до 30 мА ири комнатной температуре) в широком температурном диапазоне без термостабилизации;
— создание источников излучения с повышенной выходной мощностью (более 50 мВт в непрерывном режиме) за счет оптимизации геометрии активного элемента, а также построение схем с использованием полупроводникового оптического усилителя оригинальной конструкции;
— создание источников излучения с шириной спектра излучения, превосходящей коммерчески доступные аналоги на различные спектральные диапазоны путем исследования и оптимизации гетероструктур, геометрии активных элементов и режимов работы СЛД;
— создание широкополосных источников света за счет объединения излучения двух и более СЛД с помощью волоконных оптических разветвителей.
Новизна работы:
— разработаны и исследованы СЛД с низким энергопотреблением на основе РО ДГС и светоизлучающие модули на их основе с выводом излучения через ОВС;
— разработаны и исследованы маломощные СЛД повышенной эффективности на основе многослойной квантоворазмерной гетероструктуры;
— изготовлены и исследованы ПЛУ-модули на основе СЛД с одномодовыми световодами на входе и выходе для получения повышенной выходной мощности в системе «задающий генераторусилитель мощности», а также для получения увеличенной ширины спектра выходного излучения за счет использования в качестве задающего генератора СЛД со спектром излучения, смещенным в длинноволновую область относительно спектра ПЛУ;
— разработаны и исследованы новые типы широкополосных СЛД спектрального диапазона 880−1650 нм на основе однослойных и многослойных квантоворазмерных гетероструктур в системах (InGa)As, (InGa)PAs, а также широкополосные источники излучения на основе объединения излучения двух и более СЛД с помощью широкополосных оптоволоконных разветвителей.
Практическая ценность работы состоит в том, что в ней продемонстрированы возможности, а также предложены способы реализации новых широкополосных источников оптического излучения на базе суперлюминесцентных диодов, изготовленных на основе полупроводниковых гетероструктур различных типов и различных спектральных диапазонов. По своим выходным параметрам разработанные излучатели превосходят серийно выпускаемые приборы данного класса или не имеют аналогов. Полученные практические результаты основывались на исследованиях по трём направлениям: технологическое направление (изготовлены полупроводниковые структуры и светоизлучающие модули на их основе различных спектральных диапазонов, позволяющие реализовывать широкий контур оптического усиления и, соответственно, широкую полосу выходного излучения) — конструкционное направление (разработаны и изготовлены СЛД-модули и ПЛУ-модули оригинальной конструкции, исследовано влияние их конструктивных и рабочих параметров на выходные характеристики излучения, проведена оптимизация этих параметров с целью достижения наилучшего соотношения ширины спектра, мощности излучения и остаточной спектральной модуляции) — объединение излучения различных СЛД (реализованы широкополосные источники излучения на основе объединения излучения различных светоизлучающих модулей с помощью широкополосных оптических разветвителей). При этом большинство из вышеперечисленных результатов работы уже на сегодняшний день нашло своё практическое применение и внедрено в производство. Так, на основе исследованных и описанных в данной работе гетероэпитаксиальных структур компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» реализованы новые типы серийно выпускаемых и перспективных с практической точки зрения СЛД-светоизлучающих модулей SLD-381-MINIBUT, SLD-47-MP/HP, SLD-57-МР/НР, SLD-66-MP/HP1/HP2, SLD-76-LP/MP/HP. Кроме того, на основе описанных в данной работе результатов исследований компания ООО «Суперлюминесцентные Диоды» выпустила на рынок оптоэлектроники новый тип прибора на основе объединения излучения нескольких СЛД с помощью широкополосных волоконных разветвителей, получившего коммерческое название «BroadLighter» (модели D-890, D-980, D-1300-HP, D-1500-LP, D-1550, Т-870, Q-940, Q-1350, Q-1430).
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, и списка литературы.
Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:
1. Разработанные прототипы миниатюрных светоизлучающих модулей спектрального диапазона 800−850 нм с использованием СЛД на основе РО ДГС в системе (GaAl)As, обладающие выходной оптической мощностью через ОВС порядка 0.1 мВт, работоспособны в температурном диапазоне -55 °С — +93 °С без термостабилизации активного элемента при потребляемой мощности в пределах 0.3 Вт. При использовании в аналогичных модулях двухпроходного СЛД на основе многослойной КРС достижим трехкратный выигрыш в энергопотреблении.
2. Исследованные ПЛУ спектрального диапазона 1300 нм с СЛД в качестве источников входного сигнала в схеме «задающий генераторусилитель мощности» позволяют получить уровень непрерывной выходной оптической мощности через ОВС более 50 мВт, а в схеме с использованием ПЛУ в качестве смесителя собственного усиленного спонтанного излучения и излучения входного СЛД позволяет увеличить ширину спектра выходного излучения до 70 нм.
3. Разработаны новые типы широкополосных СЛД ИК-диапазона спектра, а именно:
— СЛД на основе однослойной КРС в системе (InGa)As с центральной длиной волны в области 920 нм, спектральной полушириной более 100 нм и выходной мощностью через ОВС более 10 мВт;
— СЛД на основе InAs/GaAlAs/GaAs гетероструктуры с КТ, спектр излучения которых перекрывает полосу 1100−1230 нм, а выходная мощность через ОВС достигает 0.5 мВт;
— СЛД на основе многослойной КРС в системе (InGa)PAs с центральной длиной волны в области 1550 нм, обладающие спектральной плотностью выходной мощности через ОВС более -45 дБм/нм в полосе более 200 нм.
Разработаны прототипы широкополосных источников света высокой яркости с использованием суперпозиции излучения двух (D), трех (Т) или четырех (Q) СЛД, а именно модели:
— D890 с усредненной спектральной плотностью -14 дБм/нм в спектральной полосе 815−965 нм;
— D980 с усредненной спектральной плотностью -16 дБм/нм в спектральной полосе 880−1080 нм;
— D1300 с усредненной спектральной плотностью -13 дБм/нм в спектральной полосе 1250−1350 нм;
— D1500-LP с усредненной спектральной плотностью -30 дБм/нм в спектральной полосе 1415−1585 нм;
— D1550 с усредненной спектральной плотностью -12 дБм/нм в спектральной полосе 1510−1590 нм;
— Т870 с усредненной спектральной плотностью -13 дБм/нм в спектральной полосе 770−970 нм;
— Q940 с усредненной спектральной плотностью -20 дБм/нм в спектральной полосе 780−1080 нм;
— Q1350 с усредненной спектральной плотностью -16 дБм/нм в спектральной полосе 1270−1470 нм;
— Q1430 с усредненной спектральной плотностью -21 дБм/нм в спектральной полосе 1305−1555 нм.
В совокупности вышеперечисленные источники излучения перекрывают весь ближний ИК-диапазон спектра 770−1600 нм.
Заключение
.
