Введение к работе
Актуальность темы.
На сегодняшний день суперлюминесцентные диоды (СЛД) являются наиболее популярным источником света для огромного количества различных приложений. Хотя в некоторых специфических областях таких, как оптическая когерентная томография (ОКТ) сверхвысокого разрешения, у СЛД есть серьезные конкуренты в виде фемтосекундных лазеров, СЛД считаются наиболее привлекательными источниками света, благодаря своим малым размерам, простоте использования и гораздо меньшей стоимости.
Последнее десятилетие ознаменовалось бурным развитием ОКТ [1]. Эта технология позволяет бесконтактно и практически мгновенно получать in vivo двумерные или трехмерные изображения биологических тканей. В большинстве систем ОКТ в качестве источников излучения используются СЛД, которые обеспечивают достаточно широкую спектральную полосу (низкую когерентность) и высокую яркость излучения, обладая при этом миниатюрными размерами и высокой эффективностью. Среди многочисленных применений в медицине и биологии наиболее широкое распространение ОКТ-системы получили в офтальмологии [2]. Диагностические аппараты серии Stratus ОСТ, серийно выпускаемые уже несколько лет фирмой Carl Zeiss Meditec, успешно применяются в офтальмологических клиниках и медицинских центрах по всему миру. В этих аппаратах используются СЛД-модули ближнего ИК-диапазона со спектральной шириной линии излучения ДА, = 22-25 нм, что позволяет реализовать аксиальное разрешение около 15 мкм. Наряду с этим, в десятках фирм и лабораторий ведется разработка аналогичной аппаратуры с повышенным пространственным разрешением, для чего требуются более широкополосные СЛД. В устройствах ОКТ пространственное разрешение томограмм улучшается с уменьшением длины когерентности Lc = А, /АХ, т.е. с ростом ширины спектра источника излучения АХ. В 2007 году фирмы Optopol Technology, Topcon Medical Systems и Optovue начали серийный выпуск офтальмологических ОКТ-систем следующего поколения. В них используются светоизлучающие модули серии SLD-37 с ДА, = 45 - 55 нм [3], что обеспечивает двукратный выигрыш в пространственном разрешении.
Несмотря на большое разнообразие источников излучения на основе СЛД, представленных на рынке оптоэлектроники на сегодняшний день, динамично развивающиеся 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 суперлюминесцентных диодов с выходными параметрами, превосходящими аналогичные приборы, коммерчески доступные на сегодняшний день, улучшении выходных параметров серийно выпускаемых приборов, а также исследовании их надежности.
В рамках диссертационной работы велись исследования по следующим направлениям:
создание СЛД ближнего ИК-диапазона с улучшенными спектральными параметрами на основе однослойных (ОКРС) и двуслойных (ДКРС) квантоворазмерных гетероструктур
исследование надежности выпускаемых широкополосных СЛД диапазона 840 нм
создание новых и совершенствование конструкции выпускаемых комбинированных источников света на основе СЛД
создание СЛД повышенной мощности в различных спектральных диапазонах.
Методы исследования.
Использовался универсальный стенд, позволяющий измерять все основные электрические и оптические параметры, а также температуру исследуемых образцов СЛД.
Научная новизна.
К основным результатам, полученным в ходе работы по теме диссертации, принадлежат:
-
Разработаны и исследованы СЛД на основе ОКРС диапазона 820 нм с двугорбой формой спектра шириной более 70 нм при сохранении уровня неоднородности спектра в пределах 45%. Их мощность излучения через одномодовый волоконный световод (ОВС) может составлять от 0.2 до 34 мВт в зависимости от длины активного канала СЛД.
-
Разработаны и исследованы СЛД диапазона 840 нм на основе ДКРС. Показано, что использование ДКРС позволяет получать СЛД с меньшей неоднородностью спектра при сохранении полуширины последнего: получены СЛД высокой надежности с шириной спектра более 54 нм со спектральным провалом в пределах 28%. Мощность таких СЛД через ОВС составила от 5 до 32 мВт в зависимости от длины активного канала.
-
Разработаны и исследованы двухсекционные СЛД диапазона 820-840 нм на основе ОКРС и ДКРС. Экспериментально показано, что использование двухсекционной конструкции СЛД на основе КРС дает изготовителям широкополосных светоизлучающих модулей дополнительную степень свободы, позволяющую для каждого конкретного модуля плавно изменять выходную мощность в широких пределах, сохраняя при этом ширину спектра на максимальном для данной КРС уровне. Для двухсекционных СЛД на основе экспериментальной (GaAl)As ОКРС при поддержании спектральной полуширины АХ около 70 нм диапазон возможных значений выходной мощности составил 2,8 - 90,2 мВт. Для двухсекционных СЛД на основе ДКРС при поддержании полуширины АХ около 50 нм диапазон возможных значений выходной мощности составил 1.1 - 21.7 мВт, в зависимости от длин секций. Образцы на основе ДКРС имели более гладкий спектр: глубина провала не превышала 52%.
-
Разработаны и исследованы СЛД диапазона 840 нм с увеличенной шириной спектра. В зависимости от длины активного канала мощность излучения этих СЛД через ОВС составила от 0.6 до 60 мВт, при ширине спектра от 63 до 55 нм соответственно. Важно отметить, что использование твердого раствора InGaAs в активном слое позволило сохранить центральную длину волны в диапазоне 840 +/- 5 нм.
-
Разработаны и исследованы СЛД диапазона 840 нм с квазигауссовой формой спектра шириной более 30 нм. Выходная мощность таких СЛД через ОВС составила более 20 мВт, при времени наработки на отказ более 10 часов.
-
Разработаны и исследованы широкополосные СЛД диапазона 780 нм на основе AlGaAs ОКРС с алюмосодержащим активным слоем. Ширина двугорбого спектра таких СЛД составила от 47 до 54 нм в зависимости от длины активного канала, при этом мощность через ОВС составила от 1 до 30 мВт.
-
Разработана методика и проанализированы результаты ресурсных испытаний квантоворазмерных СЛД серии SLD-37, широко используемых в ОКТ. Особое внимание уделено изменению спектров излучения СЛД в процессе их старения. Показано, что использование данной методики при входном контроле обработанных полупроводниковых гетероструктур (ОГЭС), предназначенных для изготовления активных элементов СЛД-модулей, позволяет обеспечить их селекцию по ожидаемому сроку службы.
-
Разработан новый комбинированный источник света с центральной длиной волны спектра излучения около 810 нм - BroadLighter D-810. Спектр прибора имеет ширину более 100 нм при величине неоднородностей не более 2 дБ, мощность составляет 5 мВт из ОВС.
-
Улучшены характеристики комбинированного источника света BroadLighter D-1300. Обновленный прибор имеет спектр шириной 120 нм (против 85 в старой версии), величину неоднородности спектра менее 20% (против 50% в старой версии) и мощность 10 мВт, что вдвое больше, чем в старой версии.
10.Разработаны и исследованы три типа многомодовых СЛД с длинами волны 840, 890 и 950 нм. Получена эффективность ввода в стандартный многомодовый волоконный световод (МВС) с диаметром жилы 50 мкм -80%. При токе накачки 1000 мА непрерывная мощность из МВС превысила 150 мВт для образцов с длиной волны 840 и 950 нм и 100 мВт для образцов с длиной волны 890 нм. Оцененное время жизни образцов превышает 4000 часов.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработаны и исследованы широкополосные СЛД ближнего инфракрасного диапазона спектра с рекордными спектральными параметрами.
Разработана методика и проанализированы результаты ресурсных испытаний квантоворазмерных СЛД серии SLD-37, широко используемых в ОКТ. Особое внимание уделено изменению спектров излучения СЛД в процессе их старения.
Разработан новый комбинированный источник света с центральной длиной волны спектра излучения около 810 нм - BroadLighter D-810. Улучшены характеристики комбинированного источника света BroadLighter D-1300.
Разработаны и исследованы три типа мощных многомодовых СЛД с длинами волны 840, 890 и 950 нм.
Практическая ценность результатов работы.
Большинство из вышеперечисленных результатов работы уже на сегодняшний день нашло своё практическое применение и внедрено в производство. Так, компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» коммерчески реализованы новые типы серийно выпускаемых и перспективных с практической точки зрения светоизлучающих модулей серий SLD-331-МР/НР, SLD-351-MP/HP, SLD-M381. Разработанная методика ресурсных испытаний широкополосных СЛД принята компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» для обязательного тестирования ОГЭС, используемых для изготовления модулей серии SLD-37. Коммерчески реализованы также новый комбинированный источник света BroadLighter D-810 и улучшенный BroadLighter D-1300.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Biomedical Optics (BIOMED), St.Petersburg, Florida (2008); 1st Canterbury Workshop on OCT and АО, Univ. of Kent, UK (2008); 13th European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy. Ulm, Germany (2009); 7th Belarasian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk (2009); XII Международной конференции «Опто-, нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск (2010); 5th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2010), Sevastopol (2010); 10th International Conference on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2010), Sevastopol (2010), XIV European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (EW-MOVPE 2011), Wroclaw, Poland, (2011); 11th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, Kharkov, Ukraine (2011).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ и 2 - в журнале Proceedings of SPIE. Список публикаций приведен в заключительной части автореферата.
Структура и объем работы.