Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Суперлюминесцентные диоды - широкополосные источники оптического излучения 26
1.1. Технологические аспекты создания суперлюминесцентных диодов 27
1.2. Оптическое усиление в полупроводниках 30
1.2.1. Типы полупроводниковых диодных гетероструктур 30
1.2.2. Транспорт носителей заряда в полупроводниковых гетероструктурах 35
1.2.3. Волноводные свойства оптоэлектронных светоизлучающих полупроводниковых приборов 40
1.2.4. Оптическое усиление в полупроводниковых приборах 48
1.2.5. Основные требования и критерии, предъявляемые к суперлюминесцентным диодам с низкой спектральной модуляцией 51
1.2.6. Оптимальная конструкция активного элемента суперлюминесцентного диода 54
1.3. Основные выходные параметры суперлюминесцентных диодов 59
1.4. Способы уширения полосы излучения суперлюминесцентных диодов. Обзор литературы 73
1.5. Области применения суперлюминесцентных диодов 82
1.6. Выводы 84
Глава 2. Разработка широкополосных суперлюминесцентных диодов на основе полупроводниковых гетероструктур 86
2.1. Экспериментальные образцы и методика измерений 87
2.2. Широкополосные суперлюминесцентные диоды спектрального диапазона 760-970 нм 92
2.3. Широкополосные источники излучения в спектральной области 1550 нм на основе квантоворазмерных суперлюминесцентных диодов 104
2.4. Теоретическая модель двухпроходного суперлюминесцентного диода со спектрально-селективным отражателем 110
2.4.1. Модель I 113
2.4.2. Модель II 117
2.4.3. Экспериментальные результаты 123
2.5. Широкополосные суперлюминесцентные диоды спектрального диапазона 950 нм с пространственно-неоднородной инжекцией на основе полупроводниковых квантоворазмерных гетероструктур 131
2.6. Выводы : 140
Глава 3. Широкополосные источники света на основе объединения излучения различных суперлюминесцентных диодов 143
3.1. Технологические аспекты создания широкополосного источника света на основе объединения излучения различных суперлюминесцентных диодов 143
3.2. Оптические разветвители и ответвители 148
3.3. Экспериментальные результаты 159
3.4. Выводы 187
Заключение 188
Литература 192
Приложение А. Технологический маршрут производства односекцион ных суперлюминесцентных диодов с однородной инжекцией 205
Приложение В. Руководство и инструкция по эксплуатации широкополосного источника света "BroadLighter" на основе объединения различных суперлюминесцентных диодов с помощью оптических разветвителей 211
Приложение С. Акт практического использования результатов диссертационной работы 219
- Типы полупроводниковых диодных гетероструктур
- Способы уширения полосы излучения суперлюминесцентных диодов. Обзор литературы
- Широкополосные суперлюминесцентные диоды спектрального диапазона 950 нм с пространственно-неоднородной инжекцией на основе полупроводниковых квантоворазмерных гетероструктур
- Экспериментальные результаты
Введение к работе
Актуальность темы работы. Создание, разработка и производство широкополосных источников оптического излучения является весьма актуальной и перспективной задачей, имеющей большое научное и практическое значение. В последнее время интенсивно развиваются такие научные и прикладные направления как волоконно-оптическая гироскопия, оптическая когерентная томография, интерферометрия «белого света», рефлек-тометрия, телекоммуникационные системы, лазеры с перестраиваемой длиной волны, усовершенствуется различное измерительное и тестовое оборудование - в частности для характеризации пассивных оптических компонентов, волоконно-оптических линий связи. Всё это, в свою очередь, находит широкое применение в различных областях жизнедеятельности человека - таких как медицина и медицинская диагностика, опто- и телекоммуникации, сети, навигация, производство и производственный контроль и мн. др. Общим важнейшим параметром источников оптического излучения в вышеперечисленных областях и направлениях является их широкополосность (малая когерентность). Кроме того, новые перспективы развития и потенциальные возможности данных научно-технических, производственных и прикладных направлений, не реализованные до сих пор, неуклонно диктуют и предъявляют всё новые и возрастающие требования на выходные параметры используемых источников оптического излучения. В первую очередь эти требования касаются спектральной ширины линии излучения, т.к. именно с ней связана разрешающая способность и выходные параметры большинства из вышеперечисленных направлений (томография, гироскопия, рефлектометрия). Таким образом, создание новых оптических приборов — широкополосных источников оптического излучения, сочетающих в себе такие достоинства как широкий спектр излучения и достаточный уровень выходной мощности (плотности мощности) излучения, позволяет значительно расширить потенциальные возможности и границы указанных областей применения.
На сегодняшний день в мире ведутся активные научные разработки подобных приборов, часть из которых уже широко представлена на рынке оптоэлектроники. При этом данные приборы обладают широким диапазоном как выходных параметров излучения (мощность, спектральный состав, форма спектра излучения и др.), так и принципов их действия вообще, а также диапазоном цен, имеют характерные преимущества и недостатки. По принципу действия широкополосные источники излучения, известные на данный момент, можно разделить на несколько типов (классов), к одному из которых относятся суперлюминесцентные диоды (СЛД) -оптические усилители собственного (спонтанного) и^іучг>>іияІ ичгатятти-
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА |
—^-—J
ваемые на основе полупроводниковых гетероструктур, аналогичных тем, которые используются и для создания лазерных диодов.
В связи с изложенной актуальностью проблемы создания широкополосных источников оптического излучения - «источников белого света», а также с учётом достоинств суперлюминесцентных диодов по сравнению с другими широкополосными оптическими приборами, представляется перспективным, целесообразным и экономически выгодным решение этой проблемы на базе и с помощью именно СЛД.
Цель данной работы состояла в исследовании, разработке и внедрении в производство широкополосных источников оптического излучения на базе полупроводниковых гетероструктур и суперлюминесцентных диодов на их основе, превосходящих по своим выходным параметрам аналогичные приборы, известные и описанные в литературе, а также представленные в виде коммерчески доступных вариантов на момент написания работы.
В соответствии с методологией достижения цели данной работы, предполагающей три возможных направления исследований: технологическое направление, связанное с усовершенствованием и варьированием составов активных слоев гетероструктур, оптимальным выбором между различными типами гетероструктур; конструкционное направление, связанное с усовершенствованием и модернизацией активного элемента, вол-новедущего канала излучателя, с нанесением на торцевые грани или интеграцией с излучателем специальных отражающих покрытий; а также направление, связанное с объединением излучения различных источников, в задачу диссертационной работы входило:
-
Проведение сравнительного анализа спектральных параметров (спектральный состав излучения, центральная длина волны, ширина спектра излучения) и мощностных параметров суперлюминесцентных диодов в зависимости от входных рабочих параметров и условий эксплуатации СЛД (ток накачки, температура, конфигурация активного канала распространения света) для различных типов гетероструктур.
-
Исследование и выбор оптимальных (с точки зрения возможности получения максимально широкого контура усиления) гетероструктур и разработка на их основе СЛД и светоизлучающих модулей с оптимизированными рабочими параметрами с целью получения оптимального соотношения спектральных и мощностных параметров в различных диапазонах длин волн излучения.
-
Разработка теоретической модели двухпроходного СЛД со спектрально-селективным отражателем на заднем торце излучателя, рас-
смотрение принципов работы и оптимизация спектральных характеристик таких приборов.
-
Разработка двухсекционной конструкции СЛД и создание на её основе СЛД и светоизлучающих модулей. Исследование спектральных и мощностных зависимостей двухсекционных СЛД, определение реализуемых диапазонов изменения выходных параметров.
-
Разработка широкополосного источника оптического излучения на основе объединения излучения различных СЛД:
Разработка широкополосных волоконных оптических разветви-телей различных типов на различные спектральные диапазоны;
подбор оптимальных комбинаций СЛД и их рабочих параметров и объединение излучения этих приборов с помощью разработанных оптических волоконных разветвителей.
Научная новизна работы.
-
Реализованы СЛД- светоизлучаюгцие модули спектрального диапазона 920 нм на основе однослойной (InGa)As квантоворазмерной ге-тероструктуры (КРС) с градиентным волноводом, ширина спектра излучения которых (по уровню 0.5) достигает 100 нм.
-
Реализованы СЛД- светоизлучаюгцие модули спектрального диапазона 810 нм на основе однослойной (InGa)As КРС со ступенчатым волноводом, ширина спектра излучения которых (по уровню 0.5) достигает 85 нм.
-
Реализованы СЛД- светоизлучаюгцие модули спектрального диапазона 1550 нм на основе (InGa)PAs КРС с четырьмя активными слоями, ширина спектра излучения которых (по уровню 0.5) превышает 130 нм.
-
Разработана и экспериментально проверена теоретическая модель двухпроходного СЛД со спектрально-селективным отражателем, наглядно демонстрирующая, что в случае реализации такого прибора возможно значительное увеличение ширины спектра излучения по сравнению с традиционным однопроходным СЛД наряду с увеличением мощности излучения. Рассмотрены варианты реализации подобных приборов с помощью конструкций двухпроходного СЛД с искривлённым волноводом или однопроходного СЛД с внешним отражателем со стороны заднего торца излучателя.
-
Реализованы светоизлучаюгцие СЛД- модули спектрального диапазона 950нм на основе двухслойной (InGa)As КРС с двухсекционной конструкцией излучателя, позволяющей использовать пространственно-неоднородную инжекцию. Продемонстрирована возможность реализации широкого диапазона мощностных параметров при ширине
спектра излучения, превышающей значения для односекционного прибора при той же плотности тока накачки. 6. Реализованы широкополосные источники оптического излучения различных спектральных диапазонов на основе объединения излучения различных специально подобранных комбинаций СЛД- модулей с помощью широкополосных оптических разветвителей. В рамках данного направления разработана и реализована конструкция широкополосного оптоволоконного Y- разветвителя микрооптического типа, рассчитанного на спектральный диапазон 750 - 1100 нм, на основе градиентных микролинз и полупрозрачных зеркал.
Практическая ценность результатов работы состоитв том, что в
ней продемонстрированы возможности, а также предложены пути и направления реализации широкополосных источников оптического излучения на базе суперлюминесцентных диодов, изготовленных на основе полупроводниковых гетероструктур различного типа, различных спектральных диапазонов, по своим выходным спектральным и мощностным параметрам значительно превосходящих серийно выпускаемые приборы данного класса. Полученные практические результаты основывались (концентрировались) на исследованиях по трём направлениям: технологическое направление (изготовлены полупроводниковые структуры и СДД- свето-излучающие модули на их основе различных спектральных диапазонов, позволяющие реализовывать широкую полосу выходного излучения); конструкционное направление (разработана и экспериментально проверена теоретическая модель двухпроходных СЛД со спектрально-селективным отражателем, исследованы двухсекционные СЛД с возможностью пространственно-неоднородной инжекции, проведена оптимизация конструкционных и рабочих параметров СЛД с целью достижения наилучшего соотношения ширины спектра и мощности излучения); объединение излучения различных СЛД (реализованы широкополосные источники излучения на основе объединения излучения СЛД- светоизлучающих модулей с помощью оптических разветвителей с широкими диапазонами выходных параметров). 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» коммерчески реализованы новые классы серийно выпускаемых и перспективных с практической точки зрения СЛД- светоизлучающих модулей SLD-37-MP/HP, SLD-47-MP/HP, SLD-47-HP-G, SLD-76-LP. Кроме того, на основе описанных в данной работе результатов по объединению источников излучения, компания ООО «Суперлюминесцентные Диоды» выпустила на рынок оптоэлектроники принципиально
новый тип прибора на основе объединения нескольких СЛД с помощью широкополосных оптоволоконных разветвителеи, получившего коммерческое название "BroadLighter" (категории D-830-HP, D-890-HP, D-930-HP, D-1300-HP, D-1500-LP, D-1550-MP/HP).
На защиту выносятся следующие положения:
-
На основе однослойной КРС с (InGa)As активным слоем (6 нм) и градиентным волноводом возможна реализация СЛД и светоизлу-чающих модулей на их основе, обладающих шириной спектра излучения ~100 нм при длине волны излучения 920 нм. Выходная мощность излучения, выводимая через одномодовый волоконный световод в определённых рабочих режимах может достигать 10мВт в условиях непрерывной инжекции.
-
На основе однослойной КРС с (InGa)As активным слоем (7 нм) и симметричным ступенчатым волноводом возможна реализация СЛД и светоизлучающих модулей на их основе, обладающих шириной спектра излучения - 74 - 86 нм при длине волны излучения 810 нм. Выходная мощность излучения, выводимая через одномодовый волоконный световод в определённых рабочих режимах может достигать 3.5 мВт в условиях непрерывной инжекции.
-
На основе КРС с четырьмя активными слоями ( разделёнными тремя квантоворазмерными барьерными слоями (1п-GaAsP), и с широкими волноводными слоями (п-ІпР ир-ІпР) возможно создание СЛД и светоизлучающих модулей на их базе с шириной спектра излучения (по уровню 0.5), превышающей в определённых рабочих режимах 130 нм в спектральном диапазоне 1550 нм.
-
Теоретическая модель двухпроходных СЛД со спектрально-селективным отражателем на заднем торце излучателя, а также полученные экспериментальные данные, показывают, что при реализации таких приборов возможно значительное расширение спектральной ширины линии излучения, а также дополнительный выигрыш по мощности излучения по сравнению с однопроходными СЛД.
5. С помощью двухсекционных СЛД с пространственно-неоднородной инжекцией возможна реализация широкого диапазона мощностей излучения прибора при относительно постоянной (слабо изменяющейся) ширине спектра, соответствующей выровненным интенсивностям спектральных пиков, обусловленных переходами между различными квантовыми состояниями. Так, с помощью двухслойной (InGa)As КРС спектрального диапазона 950 нм возможно создание СЛД с двухсекционной конструкцией активного элемента, а также светоизлучающих модулей на их основе, с мощностью излучения на выходе одномодо-вого волокна, которая может варьироваться в зависимости от токов
накачки секций в пределах 0.5 - ЮмВт при ширине спектра излучения (по уровню 0.5) от 70 до 90 км, что значительно превышает выходные параметры, характерные для традиционных односекционных СЛД на основе этих же структур и при тех же плотностях токов накачки. 6. С помощью разработанных в рамках диссфтационной работы и сфийных широкополосных волоконных оптических разветвителей, рассчитанных на различные спектральные диапазоны, возможно объединение излучения нескольких СЛД с перекрывающимися спектрами излучения и создание на их основе широкополосного источника комбинированного оптического излучения. При этом выходные параметры таких приборов (мощность излучения, спектральный состав излучения, ширина спектра) могут варьироваться в широких пределах в зависимости от технических требований и определяются и ограничиваются лишь конкретной комбинацией СЛД- модулей: - на основе объединения излучения двух СЛД, один из которых изготовлен на основе (AlGa)As двойной гетероструктуры с раздельным ограничением (ГО ДГС) с шириной активного слоя 25 нм, а другой на основе однослойной квантоворазмфной гетероструктуры (КРС) с активным GaAs слоем толщиной 10 нм возможна реализация комбинированного источника света, ширина спектра излучения которого (по уровню 0.5) достигает 71 нм при медианной длине волны 826 - 832 нм и мощности излучения на выходе одно-модового волоконного световода (на выходе оптического развет-вителя) 3-4 мВт;
на основе объединения излучения двух СЛД, изготовленных на базе однослойной (InGa)As КРС с градиентным волноводом и толщиной активного слоя 6 нм и (AlGa)As КРС с активным GaAs слоем толщиной Юнм возможна реализация комбинированного источника света, обладающего шириной спектра (по уровню 0.5) 145-152 нм при медианной длине волны, лежащей в спектральной области 890 - 898 нм, и мощностью излучения на выходе волокошгго раз-ветвителя 3 - 5.5 мВт;
на основе объединения излучения трёх СЛД, изготовленных на базе однослойной (AlGa)As КРС с толщиной активного слоя 7 нм, (AlGa)As РО ДГС с толщиной активного слоя 25 нм, а также однослойной (InGa)As КРС с градиентным волноводом и толщиной активного слоя бнм возможна реализация спектра излучения, обладающего шириной (по уровню 0.5) 195 - 200 нм, медианной длиной волны 865 - 870 нм и мощностью на выходе волоконного разветви-теля 3-4 мВт;
на основе объединения излучения двух СЛД, изготовленных на базе РО ДГС в системе (Galn)PAs с толщинами активных слоев 80 нм
в зависимости от выбора рабочих параметров и режимов эксплуатации для приборов, возможна реализация широкого диапазона мощностей излучения на выходе разветвителя, лежащих в пределах 4-10.5 мВт, при ширине спектра (по уровню 0.5) 58 - 63 нм и медианной длине волны 1290 - 1305 нм; на основе объединения излучения двух СЛД, изготовленных на базе (AlGa)InAs четырёхслойной КРС с толщинами активных слоев 5 нм, разделённых тремя барьерными слоями толщиной 10 нм, а также на основе (Galn)PAs РО ДГС с толщиной активного слоя 80 нм, возможна реализация комбинированного источника излучения спектрального диапазона 1290 - 1305 нм с шириной спектра (по уровню 0.5) 85 - 90 нм и мощностью излучения на выходе разветвителя 4-6 мВт;
на основе объединения излучения двух СЛД изготовленных на базе четырёхслойной (GaIn)PAs КРС с толщиной активных слоев 7 нм, разделённых между собой квантоворазмерными барьерными слоями толщиной 9 нм, а также однослойной (Galn)PAs КРС с нелегированным активным слоем толщиной 9 нм возможна реализация широкополосного комбинированного источника света спектрального диапазона 1490 - 1510нм, обладающего шириной спектра (по уровню 0.5) 160 - 175 нм и мощостью на выходе разветвителя 0.08 - 0.15 мВт;
на основе объединения излучения двух СЛД, изготовленных на базе двух четьфёхслойных (GaIn)PAs КРС с толщинами активных слоев 7 нм, разделённых между собой барьерными слоями толщиной 9 нм, возможна реализация источника комбинированного излучения спектрального диапазона 1540 — 1560 нм, обладающего мощностью излучения на выходе оптического разветвителя 2-3.5 мВт при ширине спектра (по уровню 0.5) 75 - 85 нм.
Публикации по теме работы. Материал диссертации опубликован в 9 печатных работах, список которых приведён в заключительной части автореферата.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, трех приложений, списка литературы (116 наименований). Полный объём диссертации составляет 222 страницы, включая 54 рисунков, 11 таблиц и 2 протокола исследования гетероэпи-таксиапьных структур.
Типы полупроводниковых диодных гетероструктур
В двойной полупроводниковой гетероструктург (ДГС) (Рис. 2а) активный слой, в котором происходит распространение и усиление света, помещается между слоями из другого полупроводникового материала с более широкой запрещённой зоной. За счёт разницы в ширине запрещённых зон на границах активного и окружающих слоев возникают потенциальные барьеры, удерживающие инжектируемые носители заряда (электроны и дырки) в активном слое. Кроме того, за счёт разницы показателей преломления активного слоя и окружающих слоев возникает оптический волновод, удерживающий световую волну вблизи активного слоя. При уменьшении толщины активного слоя создаются условия для более эффективного заполнения потенциальных ям инжектируемыми носителями заряда, в результате чего происходит снижение порогового тока вследствие уменьшения необходимого для достижения порога генерации числа носителей в активном слое. Однако это снижение ограничивается тем, что всё более узкий активный слой плохо удерживает оптическую волну. Дальнейшее уменьшение толщин активных слоев в этих условиях возможно в так называемой гетероструктург с раздельным ограничением (РО ДГС) (Рис. 26), в которую для удержания оптической волны дополнительно вводятся достаточно широкие волноводные слои, располагающиеся между активным слоем и эмиттерами. С помощью таких методов выращивания структур, как молекуляр-но-лучевая эпитаксия (МВЕ - Molecular Beam Epitaxy) и химическое осаждение из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (МО CVD - Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition), позволяющих получать толщины полупроводниковой плёнки вплоть до одного атомного, слоя, стало возможным разрабатывать так называемые квантоворазмерные полупроводниковые гетероструктуры (КРС) со сверхтонкими (порядка 5 нм) активными слоями. При таких толщинах активного слоя, сравнимых с длиной волны де Бройля электрона, возникает заметный квантоворазмерный эффект — число разрешённых электронных и дырочных состояний уменьшается, т.к. в узких потенциальных ямах остаются только состояния с дискретными значениями составляющей волнового вектора в направлении, перпендикулярном эпитакси-альным слоям, в результате чего спектр электронных и дырочных состояний расщепляется на подзоны. Так, уже при толщинах активного слоя менее 20 нм разница между дискретными энергетическими разрешёнными уровнями в GaAs становится больше 13 мэВ и этой величиной уже нельзя пренебречь по сравнению с тепловой энергией кТ, равной при комнатной температуре 25 мэВ. Таким образом, упомянутый выше квантоворазмерный эффект будет наблюдаться даже при комнатной температуре.
Для оценки и анализа поведения электрона (или дырки) в поле периодически изменяющегося потенциала, рассмотрим потенциальную яму, ограниченную с двух сторон потенциальными барьерами (Рис. За). В предположении неограниченности ширины барьерных слоев и высоты потенциальных барьеров Дс для находящихся в потенциальной яме электронов (или дырок), в ней образуются дискретные энергетические уровни с собственной энергией Е„, отсчитываемой от дна потенциальной ямы (в случае рассмотрения поведения электронов в полупроводниках - от дна зоны проводимости)
Таким образом, как следует из вышесказанного, электрон (или дырка) в КРС в направлении, перпендикулярном эпитаксиальным слоям, будет иметь квантованные значения энергии Е„, а в остальных ортогональных направлениях будет вести себя как свободная частица. Вследствие этого, кинетическая энергия электрона запишется в виде: где кгик2 - составляющие волнового вектора электрона в направлениях OY и OZ соответственно.
Данный эффект непосредственно влияет на функцию распределения плотности состояний электронов, которая утрачивает параболическую форму, характерную для объёмного кристалла и преобразуется в набор ступеней, что является важным отличительным свойством подобных структур. Применительно к спектральным характеристикам приборов на основе КРС и, в частности, к спектрам люминесценции и суперлюминесценции, квантоворазмерный эффект, как правило, проявляется в наличии ярко выраженных спектральных максимумов, соответствующих межзонным переходам между дискретными квантованными состояниями, что можно наблюдать при определённых уровнях накачки, позволяющих заполнять (за счёт инжекции носителей) верхние уровни энергии (Рис. 36). Кроме того, снижение плотности состояний электронов и дырок приводит к снижению плотности тока, необходимой для создания инверсной населённости. При этом плотность порогового тока в лазерах на основе гетерост-руктур с квантоворазмерными слоями в несколько раз меньше, чем в лазерах на обычной объёмной ДГС.
Однако в приборах на основе КРС с одним активным слоем (т.н. однослойных КРС, single-quantum well heterostructure) (Рис. 2в) при уменьшении толщины активного слоя, несмотря на применение раздельного ограничения, падает коэффициент оптического ограничения Г. Это, в частности, приводит к таким эффектам, как увеличение порогового усиления (и, в конечном счёте к росту порогового тока), уменьшению эффективности ввода излучения в опти -35 ческие волоконные световоды и т.д. Для увеличения Г применяются многослойные КРС (multi-quantum well heterostructure), в которых используются несколько активных слоев, чередующихся с более широкозонными барьерными слоями (Рис. 2г).
Способы уширения полосы излучения суперлюминесцентных диодов. Обзор литературы
Как уже неоднократно отмечалось ранее, основной тенденцией, определяющей дальнейшее развитие и усовершенствование как самих суперлюминесцентных диодов, так и областей их применения является увеличение ширины спектра излучения (уменьшение степени когерентности источника излучения). Не вдаваясь в детальный литературный обзор, посвященный этому вопросу, хотелось бы, тем не менее, остановиться на описании наиболее значимых и важных данных, содержащих факты о реализации рекордных по ширине спектров излучения СЛД, а также заключающих в себе наиболее важные концептуальные решения и подходы к решению данной проблемы. Вообще говоря, на основании имеющегося по данному направлению обзору литературы, можно сделать вывод, что основные усилия в решении вопроса об уширении спектра сосредоточены на технологическом аспекте, а именно разработке различных конфигураций гетероэпитаксиальных структур и, соответственно, их выращивании и исследовании. При этом наилучшие результаты по реализованной ширине спектра излучения были достигнуты для СЛД на основе КРС и, в частности, асимметричных многослойных КРС, в которых активные слои различаются по толщине. Однако, наряду с так называемым технологическим, встречается и ряд других подходов - в частности, конструкционный подход, фактически заключающийся в объединении на одном кристалле нескольких излучателей с помощью методов ионной имплантации, а также подход, связанный с объединением излучения нескольких источников.
Переходя к рассмотрению технологического аспекта проблемы, изложенного в литературе, коснёмся вначале приборов ближнего ИК-.диапазона спектра (800 - 950нм). Так, в работах [56,57] представлены результаты по исследованию СЛД на основе асимметричных многослойных КРС с РО и встроенным (интегрированным) градиентным волноводом (четверная и двойная GRIN SCH AMQW структуры соответственно). Конфигурации активных и вол-новодных слоев гетероэпитаксиальных структур, описанные в данных работах, представлены на Рис. 11. Идея уширения спектра излучения СЛД, изложенная в данных работах, достаточно тривиальна. Так, исходя- из законов классической квантовой механики, первые (наиболее низкоэнергетичные) квантованные уровни энергии в квантоворазмерной яме несколько возвышаются над дном потенциальной ямы, причём их энергетическое положение определяется шириной ямы. Как результат, энергия эмитируемого фотона в такой полупроводниковой квантовой яме есть также функция ширины ямы. Тогда, путём подбора квантовых ям соответствующей ширины нужно добиться, чтобы эмитируемое излучение перекрывало как можно более широкий спектральный диапазон. Поскольку ширина контура оптического усиления для каждого квантованного уровня энергии в системе GaAs составляет, в среднем, 50 мэВ, то можно ожидать, что спектр выходного излучения СЛД будет максимальным, а сама форма спектра будет гладкой и не содержащей провалы, если квантовые уровни в каждой яме энергетически отделены друг от друга на 50 мэВ. При этом, также стоит ожидать получения значительно более широких спектров излучения по сравнению с традиционными РО ДГС. Стоит подчеркнуть, что в двух вышеназванных работах использовались достаточно широкие барьерные слои (15 нм) для того, чтобы исключить взаимодействие между ямами, что гарантировало бы реализацию излучения через соответствующие расчетным энергетические уровни. Таким образом, в работе [57] при использовании гетероструктуры, содержащей два активных квантоворазмерных слоя толщиной 7.5 и 4 нм (DQW- структура) был реализован спектр излучения с максимальной шириной 52.8 нм и центром в области 830 нм при определённых рабочих режимах за счёт вовлечения в процесс эмиссии первых квантовых уровней энергии каждой из ям, а также второго квантового уровня энергии более широкой ямы (шириной .7.5 нм). В работе [56] также при использовании асимметричной структуры, но содержащей уже четыре квантоворазмерных слоя толщиной 2, 3.5, 5.6 и 12.5 нм был реализован спектр излучения суперлюминесценции с максимальной шириной 91.5 нм и, таким образом, перекрывающий спектральный диапазон 770 - 860 нм (по уровню 0.5). При этом мощность излучения такого источника {La =500 мкм, W = 5MKM, Ip =350мА) составила около 15 мВт в режиме постоянной накачки.
Интересные результаты были получены в работе [27], в которой исследовались две однослойные КРС с шириной активных слоев 6 - 7 нм и 9 нм. В режиме непрерывной инжекции ширина спектров излучения СЛД на основе этих гетероструктур составила 76 нм и 80 нм соответственно при выровненных «квантовых состояниях» на спектре. При этом перекрываемый спектральный диапазон этих источников составил 760 - 860 нм (по уровню 0.5). Особенностью спектров КРС второго типа являлся спектральный пик при X = 850 нм, быстро насыщающийся с ростом тока инжекции. Удовлетворительного объяснения его физической природы не было найдено. Возможные причины его появления можно было связать с механическими напряжениями данной кристаллической пластины или эпитаксиальной структуры, возникшими в результате некоторого сбоя в технологическом цикле. Тем не менее, при использовании комбинированной накачки (суперпозиции постоянного и импульсного токов инжекции), удалось получить спектр излучения с экстремально широким усреднённым спектром (низкой когерентностью). Полученная полуширина спектра, при этом, составляла 98 нм (что соответствовало длине когерентности 6.8 мкм) за счёт увеличения спектральной плотности мощности вышеописанного длинноволнового спектрального пика.
Из опубликованных работ, посвященных исследованию возможности создания СЛД спектрального диапазона 1400 - 1600 нм с помощью методов оптимизации гетероструктур, следует выделить работы [44, 17]. Так, в работе [44] проведено исследование, анализ и сопоставление двух многослойных КРС с шестью активными квантоворазмерными слоями. Одна из структур представляла собой симметричную КРС с однородными по толщине активными слоями (5.5 нм), разделёнными между собой барьерными слоями толщиной 15 нм; вторая структура представляла собой асимметричную КРС также с шестью активными слоями - два слоя толщиной 8 нм, два - 5.5 нм и два - 4 нм, также разделённых барьерами толщиной 15 нм. Зонная структура данных КРС приведена на Рис. 12. При использовании оригинальной конструкции активного элемента СЛД, представляющей собой клиновидный вытравленный волновод, расширяющий угол раскрыва вблизи выходной грани и переходящий в интегральный поглотитель вблизи задней грани, в режиме импульсной накачки (до 10 А) удалось реализовать достаточно большие мощности излучения (до 1 Вт и до 350 мВт соответственно). Однако для симметричной КРС спектр излучения оказался в три раза уже, чем для асимметричной. Ширина спектра излучения по уровню минус ЗдБ составила для обоих КРС 22 нм и бОнм соответственно, что также ярко отображает и подтверждает вышеописанный подход к асимметричным гетероструктурам. В рассматриваемой работе спектр излучения асимметричной КРС оказался достаточно гладким и однородным (без спектральных провалов). При этом, по словам авторов, дальнейшее уширение и гомогенизация спектров излучения данной структуры возможна при более детальном подборе и соответствующей оптимизации толщин активных слоев.
Однако, рекордные результаты по ширине спектра излучения для данного спектрального диапазона описаны в работе [17], в которой также использовалась многослойная симметричная КРС, содержащая шесть активных слоев, разделённых между собой пятью барьерными слоями. Толщина активных и барьерных слоев составляла 10 нм. Кроме того, активные и барьерные слои с двух сторон были заключены между двенадцатиступенчатыми градиентными волноводами. Зонная структура активных и волноводных слоев приведена на Рис. 13. В режиме постоянной накачки током 250 мА и соответствующей мощности излучения СЛД около 1.5 мВт (длина активного искривлённого волново да составляла, при этом, 400мкм, ширина - 1.5 мкм) спектр излучения по уровню 0.5 составил 170 нм с центром в районе 1.5 мкм, что соответствует длине когерентности источника - менее 13 мкм. Полученный результат также явно отображает особенности и специфику зонной структуры многослойных КРС. Стоит отметить, что в данном случае форма спектра была далека от Гауссовой (колоколообразной), а представляла собой суперпозицию двух спектральных пиков с явным спектральным провалом между ними.
В заключение, хотелось бы выделить работу [58], в которой был предложен альтернативный подход к уширению спектральной полосы излучения, заключающийся в изменении ширины запрещённой зоны структуры методами ионной имплантации с последующим отжигом. При этом, степень изменения Eg может быть варьируема при соответствующем изменении дозы облучения, что можно реализовать нанесением на поверхность структуры оксидной маски SiCb, являющейся, фактически, аттенюатором для имплантируемых ионов. Нанесение на поверхность кристалла маски S1O2 с изменяющейся толщиной позволило при использовании одного цикла ионной имплантации объединить в одном приборе несколько излучателей, эмитирующих излучение с различными длинами волн. Ширина одной полоски маски БіОг составляла 1 мкм, при этом на одном кристалле объединялось семь полосок. Схематичная диаграмма конструкции такого широкополосного излучателя, фронтальный вид нанесённой на поверхность маски Si02, а также соответствующая диаграмма изменения ширины запрещённой зоны после проведения ионной имплантации приведены на Рис. 14. Стоит подчеркнуть, что ионная имплантация обуславливает сдвижку длины волны излучения в более коротковолновый диапазон. В данной работе использовалась не напряжённая многослойная КРС с пятью Ino.53Gao.47As квантовыми ямами. Для ионной имплантации использовались ионы Р+ с энергией 1МэВ, при этом выбор фосфора в качестве имплантанта был обусловлен стремлением избежать дополнительного легирования структуры. Максимальная им-плантируемая доза составляла 2.5 10 ион/см .
Широкополосные суперлюминесцентные диоды спектрального диапазона 950 нм с пространственно-неоднородной инжекцией на основе полупроводниковых квантоворазмерных гетероструктур
Как известно, в случае однородной инжекции активного канала, каждый СЛД обладает конкретными выходными параметрами (комбинацией мощности излучения и спектральных параметров) только при определённой и единственной комбинации его конструкции и рабочих условий (конфигурация активного канала, плотность тока инжекции, температура). Крайне перспективным методом уилирения полосы излучения суперлюминесценции с возможностью одновременного варьирования выходной мощности является метод пространственно неоднородной инжекции СЛД [116]. Стоит подчеркнуть, что этот метод даёт дополнительную степень свободы, поскольку один и тот же прибор может быть перенастроен по своим выходным мощност-ным и спектральным параметрам в широких пределах в зависимости от предъявляемых технических требований.
Для изготовления СЛД была использована полупроводниковая гетерост-руктура с раздельным ограничением с двумя (5.3 нм - InGaAs) активными нелегированными квантоворазмерными слоями, разделёнными квантоворазмер-ным нелегированным барьерным слоем (10 нм - GaAs), и ограниченными с двух сторон волноводными слоями (0.09 мкм - Alo.3Gao.7As) (DQW- структура). Схематичное изображение конфигурации слоев и зонной структуры данной ГЭС представлено на Рис. 33.
Активный канал распространения света был разделён на две электрически изолированных друг от друга (но при этом оптически взаимосвязанных) и раздельно запитываемых секции с помощью вытравливания разделительной канавки, что дало возможность реализации пространственно-неоднородной инжекции. Длина активного канала каждой секции составляла 500 мкм. Конструкция такого двухсекционного излучателя представлена на Рис. 34,
Для сравнения выходных параметров традиционных односекционных и двухсекционных излучателей были также изготовлены односекционные СЛД на основе вышеописанной структуры с длинами активных каналов 800 и ЮООмкм. В ходе проведения измерений температура приборов поддерживалась постоянной и равной плюс 25С с помощью термоэлектрического элемента Пельтье. Выходное излучение СЛД вводилось в стандартный одномодовый волоконный световод Corning SMF-28 с широкоапертурной сферической микролинзой на входном торце.
Преимуществом двухсекционной конструкции активного элемента СЛД перед односекционной является то, что с помощью первой (за счёт реализации пространственно-неоднородной инжекции) можно управляемым образом создать различные условия для распространения и усиления излучения, соответствующего переходам между различными квантовым состояниям.
Так, например, при накачке выходной секции достаточно большим током инжекции; ттри котором в спектре излучения лишь этой секции ярко выраженными оказываются более высокоэнергетичные квантовые переходы (Рис. 35а), а задней секции малым током, при котором в спектре заметно лишь более длинноволновое (низкоэнергетичное) излучение (Рис. 356), возможно значительное увеличение интенсивности (плотности мощности), соответствующей длинноволновому излучению, а при определённых режимах накачки и выравнивание интенсивностей соответствующих спектральных максимумов в случае одновременной запитки обеих секций (Рис. 35 в, Рис. 36). Это происходит за счёт увеличения длины канала распространения и усиления света, а, соответственно, и полного оптического усиления для длинноволнового излучения. Кроме того, необходимо отметить, что реализация ситуации выровненных спектральных максимумов достигается при различных режимах накачки, а соответственно, и при различных мощностях излучения на выходе прибора (чем больше токи накачки каждой из секций, тем больше и мощность излучения). Эта ситуа ция проиллюстрирована на Рис. 36, а также в Таблице 3, где указаны значения входных и выходных параметров двухсекционных СЛД, соответствующих выровненным спектральным максимумам. Верхний предел по мощности излучения в режиме выровненных максимумов ограничивается либо ситуацией, когда в спектре излучения задней секции прибора начинает доминировать (или проявляться) уже более высокоэнергетичное коротковолновое излучение, либо же ограничивается соображениями надёжности прибора, работающего при высоких плотностях тока инжекции и/или излучающего большую оптическую мощность.
Таким образом, реализация двухсекционной конструкции излучателя позволяет настраивать спектральные и мощностные выходные параметры СЛД с плавной регулировкой и в широких пределах в зависимости от предъявляемых технических требований. Кроме того, возможно поддержание широкого спектра, соответствующего выровненным максимумам, в широком диапазоне мощностей излучения СЛД. Стоит напомнить, что для односекционных СЛД такой спектр реализуется только при определённых комбинациях значений «плотность-тока инжекции - длина активного канала».
В ходе проведённых экспериментов, максимальная мощность излучения из одномодового волокна Corning SMF-28, достигнутая для СЛД с двухсекционной конструкцией активного элемента, в режиме поддержания равенства интенсивностеи спектральных максимумов составила 9.9 мВт. Ширина спектров излучения (по уровню 0.5) двухсекционных СЛД в режиме поддержания равенства интенсивностеи спектральных максимумов во всём диапазоне изменения мощностей излучения (от 0.25 до 9.99 мВт) составляла 72 - 86 нм, при этом спектры оказались более широкими при малых мощностях, что объясняется большим вкладом спонтанного излучения и, соответственно, меньшими усилениями (см. Таблицу 3). Для сравнения: односекционные СЛД на основе этой же структуры с длиной активного канала 1000 мкм обладали широким спектром (с выровненными максимумами) только при токе накачки 260 мА и мощности из волокна 9 мВт, а односекционные СЛД с длиной активного канала 800 мкм -только на токе 145 мА, при этом их мощность составила 2.5мВт (Рис. 37).
Спектральная модуляция всех измеренных СЛД (как традиционных од-носекционных, так и двухсекционных) не превышала 3% во всём диапазоне изменения мощностей и токов инжекции; медианная длина волны излучения в режиме выровненных максимумов в спектре оказалась равной 945 нм.
Таким образом, в данном параграфе была экспериментально продемонстрирована возможность реализации широкого диапазона мощностей излучения СЛД с двухсекционной конструкцией активного элемента на основе кван-товоразмерных структур спектрального диапазона 950 нм при практически постоянной ширине спектра, соответствующей выровненным спектральным максимумам, а также возможность плавной перестройки выходных параметров излучения таких приборов в широком диапазоне, в зависимости от требований, предъявляемых заказчиком., Стоит отметить, что возможна и дальнейшая оптимизация выходных параметров излучения двухсекционных СЛД с помощью варьированиями подбора оптимальных длин активных каналов каждой из секций. На основе изготовленных двухсекционных СЛД были изготовлены свето-излучающие модули с выходным одномодовым волоконным световодом и встроенным делителем токов.
Экспериментальные результаты
Для объединения излучения СЛД необходимо использование широкополосных оптических разветвителей, обладающих заданным коэффициентом деления мощности в спектральном диапазоне длин волн, перекрывающем спек-тры излучения каждого из СЛД объединяемой комбинации. Кроме того, в данном спектральном диапазоне должны быть обеспечены минимальные вносимые потери излучения. На сегодняшний день на рынке оптоэлектронных пассивных компонентов представлен большой выбор коммерчески доступных оптических разветвителей различного типа и различных спектральных диапазонов, как од-номодовых, так и многомодовых, как относительно узкополосных (10-30 нм), так и широкополосных. Основная масса таких разветвителей рассчитана, в основном, на спектральный ИК- диапазон 1200 - 1600 нм, что объясняется востребованностью в подобных приборах в различных «связных» областях применения. При этом, достаточно ограничен выбор оптических разветвителей и от-ветвителей (в особенности широкополосных) на более коротковолновый спектральный диапазон 700 - 1100 нм, который является, тем не менее, очень важным в таких областях применения, как оптическая когерентная томография и волоконно-оптическая гироскопия, в которых требование в использовании как можно более широкополосных источников излучения является основополагающим. Ввиду вышеуказанных фактов, в данной работе для объединения из-"лучения СЛДспектрального диапазона 1250 - 1650 нм использовались широкополосные 50/50 волоконно-оптические одномодовые Х- разветвители сварного типа компании GenOptics (Южная Корея), гарантирующие заданный коэффициент разветвления в спектральной полосе 1250 - 1650 нм с точностью ±5%, при этом вносимые потери самого разветвителя не более 0.5 дБ в указанном спектральном диапазоне. Выбор данных разветвителей был обусловлен как подходящей рабочей спектральной полосой, так и изложенными ранее достоинствами, характерными для волоконных разветвителей сварного типа по сравнению с остальными возможными типами аналогичных приборов.
Коммерчески доступный вариант оптических широкополосных разветвителей, рассчитанных на спектральный диапазон 750 - 1100 нм, с необходимыми параметрами для задач объединения СЛД не был найден. Поэтому в данной работе объединение СЛД, излучающих в этом спектральном диапазоне, осуществлялось через разветвитель, представляющий собой разработку ориги -162 нальной конструкции. Конструкция данного разветвителя представлена на Рис. 43. В данном случае было решено разработать и использовать оптический Y-разветвитель микрооптического типа на основе градиентных стержневых линз с перпендикулярным расположением интерференционного отражающего покрытия (зеркала) по отношению к коллимированным световым лучам.
В качестве коллимирующей и фокусирующей системы в разветвителе использовалась комбинация двух стержневых градиентных «четвертьволновых» линз. Для уменьшения суммарных проходных потерь и увеличения направленности (изолированности) разветвителя предварительно на выходные грани селфоков, а также на внутреннюю грань одного из них, методом электронно-лучевого или магнетронного напыления наносились многослойные широкополосные антиотражающие покрытия из чередующихся слоев АІ2О3, SiC 2 и Si3N4, обеспечивающие остаточный коэффициент отражения излучения порядка 1%. Тем же методом на другую непросветлённую внутреннюю грань предварительно наносилось широкополосное многослойное интерференционное отражающее покрытие из чередующихся слоев Si и SiC 2 с коэффициентами отражения и пропускания, близкими к 50% в спектральном диапазоне 750 - 1100 нм. Спектры отражения и пропускания такого покрытия приведены на Рис. 44.
Позиционирование градиентных линз в V- образной канавке коварового основания осуществлялось под оптическим микроскопом, после чего обе линзы жёстко крепились друг относительно друга и относительно основания специальным термостойким клеем. Использование термостойкого клея было продиктовано тем обстоятельством, что в дальнейшем вся система подвергалась температурному воздействию ( плюс 93С) при юстировке и крепеже оптических волокон, расположенных, в свою очередь, на специальном держателе, металлическим припоем. Температура при юстировке определялась температурой плавления используемого припоя. Для изготовления разветвителя использовались одномодовые волоконные изотропные световоды Corning Pure Mode 720, оптимальные для спектрального диапазона 720 - 1100 нм. Со стороны крепления к стержневым градиентным линзам торцы волокон имели перпендикуляр ный (±0.1 ) оси волокна скол. Для подавления положительной обратной связи по излучению (обратных отражений света от перпендикулярных торцов волокон) на торцы волокон также наносились широкополосные антиотражающие покрытия, аналогичные напыляемым на торцы линз. После окончательной юстировки микрооптическая часть разветвителя помещалась в специальный корпус и герметично запаивалась, при этом свободные концы волокон, предварительно помещённые в специальный защитный кембрик, выводились наружу.
В итоге, реализация вышеописанной конструкции позволила создать широкополосный волоконный оптический Y- разветвитель с коэффициентом деления, спектральное распределение которого представлено на Рис. 44. Суммарные вносимые проходные потери непосредственно самого разветвителя составили, в среднем от 0.7 до 1.5 дБ во всём рабочем спектральном диапазоне, при этом, естественно, более заглушённым оказывался канал, работающий на пропускание оптического луча, т.к. в этом случае привносятся большие суммарные потери на проход излучения через комбинацию четырёх покрытий на градиентных линзах (трёх антиотражающих и одного отражающего) и воздушного зазора-между ними. В последнем случае может сказаться влияние неидеального позиционирования линз друг относительно друга, что приводит к размытию и разъюстировке светового пятна на выходе микрооптической системы. Направленность разветвителя составила, при этом, 34 дБ.
С помощью волоконной сварки электрической дугой на сварочном аппарате Fujicura.MC-20 выходные одномодовые волокна СЛД- модулей присоединялись к входным волоконным портам оптических разветвителеи. Вносимые потери на каждой сварке составляли не более 0.3 дБ. Выходные волоконные порты оптических световодов были «оконцованы» стандартными волоконными оптическими разъёмами типа FC/APC с закошенным торцом на выходе для уменьшения обратных отражений излучения. После проведения необходимых сварок и пристыковок СЛД- модулей к оптическим разветвителям, сами модули жёстко крепились на электрические разъёмы и теплоотводы, а оптические раз-ветвители на специальные держатели, которые, в свою очередь, были жёстко зафиксированы на оптической плате «комбайнера». Свободные участки волокон, помещённых в защитный кембрик, накручивались на волоконные катушки, которые также были жёстко зафиксированы на оптической плате прибора. Таким образом, вся оптическая конструкция представляла собой миниатюрную плату с жёстко зафиксированными на ней элементами; к оптической плате, кроме того, были подведены внешние электрические разъёмы для запитки СЛД- модулей. Конструкция оптической платы широкополосного «комбайнера», объединяющего комбинацию двух СЛД- модулей, представлена на Рис. 45. Используемая конструкция не предполагала интеграцию в оптическую часть прибора дополнительных настроечных пассивных компонентов, таких как оптические аттенюаторы, при этом выходные параметры «комбайнеров» настраивались только с помощью варьирования режимов работы СЛД- модулей.
СЛД- модули запитывались стабилизированным источником постоянного тока, при этом режим инжекции соответствовал режиму поддержания постоянной оптической мощности. Последняя контролировалась с помощью специального «индикаторного» фотоприёмника (фотодиода), вмонтированного непосредственно в корпус СЛД- модуля (см. Рис. 16). Реализация режима поддержания постоянной мощности давала возможность дополнительной защиты от воздействия обратных связей по излучению, и, кроме того, позволяла компенсировать влияние деградации выходных параметров СЛД- модулей путём автоматической корректировки уровня инжекции. Источники постоянного тока, электронные схемы поддержания режима постоянной мощности, а также схемы автоматической стабилизации и поддержания температуры были интегрированы в единый корпус специального драйвера.
