Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Костин Юрий Олегович
Широкополосные суперлюминесцентные диоды для оптической когерентной томографии
05.27.03 - Квантовая электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
МОСКВА - 2012
Работа выполнена в ФГУП НИИ Полюс им. М. Ф. Стельмаха
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Якубович Сергей Дмитриевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заведующий сектором ИОНХ РАН Васильев Михаил Григорьевич, кандидат физико-математических наук, заместитель главного редактора журнала Квантовая электроника Семенов Александр Сергеевич
Ведущая организация: Научно-производственное предприятие Инжект
Защита состоится 17 мая 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 ФГУП НИИ Полюс им. М. Ф. Стельмаха по адресу:
117342, Москва, ул. Введенского, д. 3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП НИИ Полюс им.
М. Ф. Стельмаха.
Автореферат разослан л 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м. н. Кротов Ю. А.
Общая характеристика работы
.
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 ОКТсистемы получили в офтальмологии [2]. Диагностические аппараты серии Stratus OCT, серийно выпускаемые уже несколько лет фирмой Carl Zeiss Meditec, успешно применяются в офтальмологических клиниках и медицинских центрах по всему миру. В этих аппаратах используются СЛДмодули ближнего ИК-диапазона со спектральной шириной линии излучения = 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 2/, т.е. с ростом ширины спектра источника излучения . 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 = 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:
1. 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.
2. 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.
3. 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 около 70 нм диапазон возможных значений выходной мощности составил 2,8 - 90,2 мВт. Для двухсекционных СЛД на основе ДКРС при поддержании полуширины 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%.
4. 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 до 55 нм соответственно. Важно отметить, что использование твердого раствора InGaAs в активном слое позволило сохранить центральную длину волны в диапазоне 840 +/- 5 нм.
5. 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 104 часов.
6. 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.
7. 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 СЛДмодулей, позволяет обеспечить их селекцию по ожидаемому сроку службы.
8. 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.
9. 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 40часов.
На защиту выносятся следующие положения:
Х Разработаны и исследованы широкополосные СЛД ближнего инфракрасного диапазона спектра с рекордными спектральными параметрами.
Х 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.
Х 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.
Х 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-331MP/HP, 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 AO, Univ. of Kent, UK (2008); 13th European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy.
Ulm, Germany (2009); 7th Belarusian-Russian Workshop УSemiconductor Lasers and SystemsФ Minsk (2009); XII Международной конференции Опто-, нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы, Ульяновск (2010); 5th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOLТ2010), Sevastopol (2010); 10th International Conference on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNMТ2010), 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.
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, приложения, заключения, и списка литературы. Объем работы составляет 137 страниц машинописного текста, который содержит 16 таблиц, 49 рисунков, 18 формул и 113 наименований библиографии.
Основное содержание работы
.
Введение включает в себя краткое описание принципов ОКТ, используемых в этой методике источников света, описание особенностей СЛД как источников света для ОКТ, обзор выходных параметров современных СЛД и их надежности. Также во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая ценность результатов работы, приведены положения, выносимые на защиту, и список публикаций по материалам диссертации.
В Главе I Новые широкополосные суперлюминесцентные диоды продемонстрированы возможные пути улучшения выходных характеристик СЛД, предназначенных для использования в ОКТ.
В первом разделе описаны СЛД на основе ОКРС в системе (GaAl)As/GaAs с активным слоем из нелегированного GaAs. Зонная диаграмма образцов представлена на рис. 1.
Уменьшение ширины квантовой ямы позволило повысить широкополосность спектра излучения, однако, привело к смещению его центральной длины волны в коротковолновую область. На рис. 2 показан спектр одного из исследованных СЛД с длиной активного канала La=800 мкм.
EC 1,p-Al0.5Ga0.5As n-Al0.5Ga0.5As Al0.3Ga0.7As 0,da GaAs n-GaAs p-GaAs 0,760 780 800 820 840 860 880 9Длина волны, нм Рис.1. Зонная диаграмма Рис.2. Спектр излучения (GaAl)As/GaAs ОКРС (da=9.5 нм) исследованного СЛД Нам удалось получить ширины спектра более 70 нм при сохранении спектрального провала в пределах 45%.
Предварительные ресурсные испытания продемонстрировали достаточно высокую надежность оптимизированных образцов СЛД, обеспечивавших при различных величинах La выходную мощность от 2.0 мВт до 50 мВт при выровненных спектральных максимумах. Линейная экстраполяция хронограмм выходной мощности СЛД дала для сроков службы в указанных режимах оценки, превышающие 10000 часов.
Второй раздел посвящен СЛД на основе ДКРС. Использование ДКРС позволяет уменьшить величину неоднородности спектра, которая является весьма важным параметром при использовании СЛД в интерферометрических схемах. Однако, при такой конструкции возрастает плотность тока инжекции, что может негативно сказаться на надежности прибора. Поэтому особое внимание было уделено ресурсным испытаниям.
Интенсивность, отн.
ед.
Схематическое изображение зонной диаграммы выращенных гетероструктур представлено на Рис. 3. Главное отличие этих двусторонних гетероструктур с раздельным ограничением от структур, описанных в [4], состояло в том, что их активные области содержали по две квантовые ямы, разделенные (AlGa)As барьером. Были использованы два типа ДКРС, отличающиеся шириной квантовых ям. У структур Типа I эта величина была на 25% больше, чем у структур Типа II.
На Рис. 4 изображены спектры излучения для двух образцов СЛД на основе ДКРС различных типов.
EC n-Al0.5Ga0.5As p-Al0.5Ga0.5As 1.Al0.3Ga0.7As 0.0.0.GaAs n-GaAs p-GaAs 0.0.720 750 780 810 840 870 900 930 9Длина волны (нм) Рис. 3. Схематическая зонная Рис. 4. Спектры излучения СЛД на диаграмма (GaAl)As/GaAs ДКРС. основе ДКРС типов I и II (сплошная и штриховая кривые соответственно) Хорошо известно, что скорость старения полупроводниковых лазеров в ходе работы может сильно зависеть от величины плотности тока инжекции j. В рамках настоящей работы предварительным ресурсным испытаниям были подвергнуты четыре партии образцов СЛД: Типа I с La = 600 и 700 мкм и Типа II с La = 400 и 500 мкм. Образцы Типа I успешно прошли испытания.
Экстраполяция полученных хронограмм выходной мощности дает для медианного времени жизни величины более 20 000 часов (La = 600 мкм) и более 15 000 часов (La = 700мкм). К сожалению, образцы Типа II, обладающие рекордными спектральными характеристиками для СЛД данного диапазона спектра, оказались склонными к быстрому старению и деградировали (спад выходной мощности на 50%) в течение 200 часов.
В третьем разделе описаны преимущества неоднородной инжекции при создании СЛД с двугорбым спектром. Особенностью СЛД с двугорбой формой спектра является тот факт, что величины ширины спектра , близкие к максимальной, реализуются в достаточно узком диапазоне значений тока инжекции ISLD. Эти значения и определяют выходную оптическую мощность Р данного СЛД. Величину Р можно изменять в небольших пределах (порядка десятков процентов) за счет изменения рабочей температуры с соответствующей подстройкой тока инжекции, но это не всегда допускается условиями эксплуатации СЛД-модуля.
Если же величину Р требуется изменить существенно (на порядок и более) с сохранением на максимальном уровне, то для этого при Интенсивность ( отн.
ед.) использовании пространственно однородной инжекции имеется, практически, единственное решение - изготовление новых образцов СЛД с большей или меньшей длиной активного канала La.
740 760 780 800 820 840 860 880 9Длина волны (нм) Рис.5. Спектры выходного излучения 2-х секционного СЛД при различных комбинациях токов инжекции: 1 - I1=105мА, I2=0 мА, PSM=0.8 мВт;
2 - I1=192 мА, I2=20 мА, PSM=6.04 мВт; 3 - I1=251 мА, I2=30 мА, PSM=12.1 мВт;
4 - I1=289 мА; I2=45 мА, PSM=18 мВт; 5 - I1=196 мА; I2=196 мА, PSM=37.1 мВт.
(PSM - мощность, выводимая через ОВС) Но и при этом в случае жестких допусков на Р и часть образцов СЛД из-за неизбежного технологического разброса параметров оказывается непригодной для данного конкретного применения.
В разделе были исследованы 2 типа образцов на основе ОКРС (тип I - с однородной инжекцией и тип II - двухсекционные), и 2 типа двухсекционных образцов на основе ДКРС, отличающихся длинами передней и задней секций. В данном эксперименте для получения различных значений выходной мощности при выровненных спектральных максимумах варьировались режимозадающие токи I1 и I2 и, как следствие, спектры спонтанного излучения и оптического усиления 1-й и 2-й секций. Образцы СЛД типа II были изготовлены на основе той же ОКРС, что и образцы типа I, и с использованием тех же фотолитографических шаблонов, задающих конфигурацию активного канала и контактных площадок. Разница в технологических маршрутах заключалась в дополнительном фотолитографическом процессе и в дополнительном процессе травления, обеспечивших электрическую изоляцию секций у образцов типа II.
Рис. 5 демонстрирует возможность получения спектров максимальной для данной ОКРС ширины при различных комбинациях токов накачки первой и второй секций СЛД, которым соответствуют значения выходной мощности от 0,8 мВт до 37 мВт из ОВС.
Использование ДКРС в образцах типа III и IV позволило значительно уменьшить спектральный провал и получить спектры шириной более 50 нм с глубиной провала в пределах 55% при любой мощности в наиболее востребованном диапазоне от 1 до 20 мВт.
Четвертый раздел посвящен СЛД на базе ОКРС в системе (InGa)As/(GaAl)As/GaAs. Разработка широкополосных КРС-СЛД с активным Интенсивность ( отн.
ед.) слоем InXGa1-XAs позволила сохранить центральную длину волны спектра излучения СЛД в пределах 840-850 нм при значительном увеличении его ширины. Для этого были изготовлены СЛД на основе ОКРС в системе (InGa)As/(GaAl)As/GaAs с активным слоем толщиной около 10 нм из твердого раствора InXGa1-XAs.
У трех использованных структур 1,концентрация In варьировалась вблизи х=0,02 (образцы типа 1-3). 0,На рис.6 представлены типичные 0,спектры излучения указанных СЛД в 0,рабочих точках, где ширина спектра достигает своего максимального 0,значения.
0,Предварительные ресурсные 800 820 840 860 880 900 9Длина волны, нм испытания таких СЛД дали для их времени жизни оценку времени жизни Рис.6. Типичные спектры излучения >10000 час.
СЛД типов 1, 2 и 3 в рабочих точках Образцы СЛД типа 4 были созданы на основе напряженной гетероструктуры с InGaAs активным слоем толщиной 6 нм. Для такой структуры первое возбужденное состояние гораздо выше основного по энергии, поэтому при любых величинах плотности тока накачки, вплоть до порога катастрофической деградации, коротковолновый максимум, соответствующий переходам из него, не проявлялся, и спектр имел колоколообразную форму.
da La ISLD j PFS PSM m MTTF (нм) (мкм) (мА) (кА/см2) (мВт) (мВт) (нм) (нм) (час) 600 200 8.3 2.1 0.7 835 62.0 -800 250 7.8 6.4 3.1 836 53.0 <16.0 1000 210 5.2 13.6 7.1 838 40.0 >5*11200 300 6.2 41.7 24.4 839 33.0 >11600 350 5.5 85.6 50.5 846 24.0 >21Табл. 1. Основные характеристики исследованных СЛД типа В таблице 1 представлены типичные мощностные и спектральные характеристики исследованных образцов при различных длинах активного канала. Здесь da - толщина активного слоя, La - длина активного канала, ISLD - ток инжекции, j - плотность тока инжекции, PFS - оптическая мощность в открытое пространство, PSM - мощность из ОВС, m - медианная длина волны, - ширина спектра на половине высоты, MTTF - оценочное время жизни излучателя. Для образца с La = 800 мкм полуширина центрального пика АКФ, определяющая пространственное разрешение ОКТ при использовании данного источника света, составила 0.013 мм. Благодаря форме спектра, близкой к гауссовой, искажения центрального пика АКФ практически отсутствуют.
В пятом разделе описаны широкополосные СЛД диапазона 750-780 нм.
Получение надежных СЛД с двугорбой формой спектра в этом диапазоне Интенсивность, отн.
ед.
долгое время оставалось невозможным. В настоящей работе благодаря использованию технологических усовершенствований, описанных в [5], а также оптимизации процесса ионной очистки торцевых граней СЛД перед нанесением на них антиотражающего покрытия, удалось изготовить эффективные и достаточно надежные СЛД с центральной длиной волны излучения вблизи 780 нм и шириной спектра около 50 нм.
0.25мкм p-Al Ga As Ga As 0.5 0.EC n-Al0.5 0.Al Ga As 0.33 0.10 нм Al Ga As 0.1 0.p-GaAs n-GaAs 720 740 760 780 800 820 8Длина волны, нм Рис.7. Зонная диаграмма Рис. 8. Типичная эволюция спектра (GaAl)As/GaAs ОКРС выходного излучения СЛД при изменении тока инжекции Исследованные СЛД были созданы на основе однослойной квантоворазмерной гетероструктуры в системе (AlXGa1-X)As/GaAs с концентрацией Al~0.1 в активном слое толщиной 10 нм. Зонная диаграмма слоёв представлена на рис. 7. Эволюция спектра исследованных СЛД при изменении тока накачки представлена на рис.8. на примере образца с длиной активного канала 700 мкм. Спектр содержит два выраженных максимума, обусловленных квантоворазмерным эффектом, в областях 760 и 790 нм.
В ходе измерений не было заметно сколько-нибудь значительной деградации оптической мощности СЛД. Образцы были подвергнуты термоэлектрической тренировке в рабочих режимах, при постоянном токе и температуре. Экстраполяция кривых зависимости PFS(t) даёт расчетное время наработки на отказ 3300-14000 часов для различных длин активного канала, что вполне приемлемо для многих практических применений.
В Главе II Исследование надежности широкополосных СЛД описана методика и приведены результаты ресурсных испытаний квантоворазмерных СЛД серии SLD-37, широко используемых в оптической когерентной томографии. Особое внимание уделено изменению спектров излучения СЛД в процессе их старения.
В первом разделе рассмотрены особенности изменения выходных характеристик СЛД на основе квантоворазмерных структур в ходе продолжительной работы. С некоторых пор, по мере широкого внедрения систем ОКТ, содержащих эти источники света, в медицине и других областях вопрос надежности СЛД обострился. Прогнозирование срока службы (времени жизни) каждой партии приборов становится необходимым.
Интенсивность, отн.
ед.
Очень важно указать на спектральные особенности рассматриваемых СЛД. В отличие от традиционных торцевых ЛД и СЛД на основе лобъемных полупроводниковых гетероструктур, у которых форма спектра излучения практически не изменяется при небольших изменениях тока инжекции или в ходе старения, в квантоворазмерных СЛД указанные спектральные зависимости проявляются гораздо сильнее.
Насколько нам известно, этот вопрос систематически не исследовался. В устройствах ОКТ ширина спектра источника излучения (длина когерентности LC 2/), определяющая пространственное разрешение томограмм, является ключевым параметром. Величина достигает максимального значения при определенном рабочем токе, когда в спектре суперлюминесценции выравниваются спектральные максимумы, соответствующие квантовым переходам из основной и возбужденных подзон (Рис. 9). Именно в этой рабочей точке обычно эксплуатируются СЛД-модули в ОКТ-системах. Сильная деформация спектра, приводящая к уменьшению , которая может появиться в ходе старения СЛД, в данном случае недопустима.
Поэтому надежность конкретной партии широкополосных СЛД определяется не только изменением мощности в процессе наработки, но и изменением спектра.
1.V > S < 50 IV S=1.III S Из каждой ОГЭС собиралась пробная партия активных элементов с различными длинами активных каналов. После измерения их характеристик и выбора оптимальной конфигурации, соответствующей тем или иным техническим требованиям, партия из 16-ти образцов выбранной конфигурации подвергалась предварительным ресурсным испытаниям (burn-in) при рабочем токе I0 в режиме АКТ в течение 120-240 час. По окончании этих испытаний повторно измерялись выходные спектральные характеристики. По характеру Спектралная полуширина ( нм ) Выходная мощность ( отн. ед.) { { изменения мощности образцы можно поделить на 4 типа (рис. 10). Тип I характеризовался быстрым спадом выходной мощности (более 1% в сутки). Такие СЛД не допускались к продолжительным испытаниям, а соответствующие ОГЭС отбраковывались. Образцы типа II демонстрировали замедляющийся спад мощности, который к концу предварительных испытаний не превышал 0,2-0,4% в сутки. Образцы типа III демонстрировали медленное старение с самого начала испытаний. Образцы типа IV демонстрировали рост мощности в начале испытаний, но после достижения некоторого максимума начиналось ее медленное снижение. Образцы типа V демонстрировали замедляющийся, но не прекращающийся рост мощности до конца предварительных испытаний. Что касается спектров выходного излучения, то у образцов типов II, III к концу испытаний наблюдалось снижение коротковолнового максимума. У образцов типов IV, V в зависимости от ОГЭС к концу испытаний наблюдался перекос спектра в коротковолновую, или в длинноволновую сторону. Описанные тенденции указывают на наличие нескольких физических механизмов, влияющих на изменение выходных характеристик рассматриваемых СЛД в ходе их эксплуатации. Более того, исследования показали, что при проведении испытаний одинаковых образцов СЛД при различных температурах доминирующими могут оказаться различные физические механизмы, изменяющие выходные характеристики. Приведенные данные указывают на то, что общепринятые методики определения срока службы ЛД [6] для рассматриваемых СЛД непригодны. Ввиду этого, в данной работе мы ограничились ресурсными испытаниями СЛДчипов при температуре 25С. По 8 типичных образцов из каждой новой ОГЭС, прошедших предварительную наработку, подвергались испытаниям в течение 3000 часов при поддержании постоянного тока накачки. Перед началом испытаний измерялись основные параметры СЛД, в том числе мощность и спектральные характеристики. Эти измерения повторялись через 1000, 2000 и 3000 часов испытаний при том же токе инжекции. Кроме того, определялось новое значение тока при выровненных спектральных максимумах и значения основных параметров при этом токе. Третий раздел описывает критерии, по которым определялся отказ приборов. После сглаживания и линейной экстраполяции зависимостей PFS(t) производилась оценка мощностного срока службы р каждого образца. Для образцов с падающей мощностью использовался общепринятый критерий отказа: PFS(р) = 0,5 PFS(0) (1). Для образцов, демонстрирующих рост мощности в ходе испытаний, был введен симметричный критерий отказа: PFS(р) = 1,5 PFS(0) (2). Такой подход оправдан тем, что во всех спецификациях на модули серии SLD-37, использующиеся в ОКТ, содержатся ограничения сверху на выходную мощность, связанные, в частности, с мерами лазерной безопасности. Какие-либо общепринятые критерии определения спектрального срока службы СЛД отсутствуют. Зависимость (S), представленная на Рис.9, подсказывает, что было бы разумным в качестве критерия отказа ввести соотношение: | S(S)| = 40% (3). Действительно, при превышении величиной S этого значения величина начинает быстро уменьшаться (см. рис. 9). При использовании данного критерия спектральное старение оказывается основным фактором, ограничивающем срок службы СЛД. Для 22-х из 27-ми исследованных ОГЭС средний спектральный срок службы меньше, чем мощностной, определенный по критериям (1) или (2) (Рис. 11.а). Для практических применений, в которых допустима подстройка рабочего тока инжекции в процессе эксплуатации СЛД, спектральный срок службы может быть значительно увеличен, если через определенные интервалы непрерывной работы (допустим, 5000 или 10000 часов) устанавливать новое значение тока инжекции, соответствующее максимальной ширине спектра или производить такую подстройку автоматически. Обширная статистика показывает, что для подавляющего большинства образцов предельное значение рабочего тока превышает реальное значение тока после предварительной наработки на 20-40%. Исходя из этого, можно ввести следующий критерий спектрального отказа - невозможность выровнять спектр при изменении рабочего тока в пределах 20%, или: |I0(S)| = 20% (4). Использование критерия (4) позволяет эффективнее использовать ресурс СЛД - заметно повысить средний срок службы и, в частности, значительно сократить процент короткоживущих образцов с величиной MTTF < 10 0часов (с 18,5% (5/27) до 3,7% (1/27)) и увеличить процент долгожителей с величиной MTTF > 40000 часов (с 14,8% (4/27) до 33% (9/27)). Кроме того, при использовании этого критерия значения величин спектрального и мощностного времени жизни сближаются (Рис. 11.б). 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 5-10 10-20 20-40 40-80 >80 5-10 10-20 20-40 40-80 >Срок службы (тыс. час) Срок службы (тыс. час) а. б. Рис. 11 Гистограмма ожидаемого срока службы СЛД из различных ОГЭС = MIN[p, s] ( - s Во Введении кратко описаны принципы создания комбинированных источников света и их преимущества [7]. Количество ОГЭС Количество ОГЭС BroadLighter D-810 - новый комбинированный источник света, самый коротковолновый из приборов данной серии, включает в себя широкополосный СЛД с центральной длиной волны 840 нм и новый широкополосный SLD-33 с центральной длиной волны 780 нм, описанный в разделе 1.5. Суперпозиция их спектров позволила получить результирующий спектр шириной около 105 нм при неоднородностях не превышающих 2 дБ, представленный на рис. 11. Широкая полоса и короткая медианная длина волны вкупе с достаточно низкой степенью неоднородности спектра позволили получить АКФ с шириной центрального пика 7.6 мкм и лишь незначительными искажениями формы последнего. В отличие от BroadLighter D-810, BroadLighter D-1300 представляет собой улучшенную версию разработанного ранее прибора. Усовершенствование технологии создания модулей, входящих в состав прибора, позволило создавать СЛД-модули данного диапазона спектра мощностью более 10 мВт с достаточно широкими спектрами и низкой глубиной модуляции модами Фабри-Перо (менее 5%). Суперпозиция излучения таких модулей позволяет получить комбинированный источник с мощностью излучения более 10 мВт и спектром шириной около 120 нм. Также, за счет большей широкополосности входящих в состав нового BroadLighter D-13модулей, удалось снизить неоднородность спектра, которая теперь не превышает 20%. Спектр выходного излучения прибора представлен на рис. 12. 1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1150 1200 1250 1300 1350 1400 14725 750 775 800 825 850 875 9Длина волны, нм Длина волны, нм Рис. 11. Спектр комбинированного Рис. 12. Спектр комбинированного источника BroadLighter D-810. источника BroadLighter D-13Приложение посвящено СЛД повышенной мощности. Мощные СЛД используются в качестве источников излучения высокой яркости в специализированных осветительных системах и в различных типах оптических датчиков, в частности, в разветвленных сетях волоконно-оптических датчиков механического напряжения и температуры, обеспечивающих мониторинг состояния разного рода крупногабаритных и массивных конструкций. При этом от соответствующих СЛД-модулей требуются высокая выходная оптическая мощность и надежность. Возможность реализации достаточно мощных СЛД (непрерывная выходная мощность порядка сотен мВт для лузких одномодовых приборов и порядка единиц Вт для многомодовых) была продемонстрирована во многих экспериментальных работах. Однако по сей Интенсивность, отн. ед. Интенсивность, отн. ед. день на оптоэлектронном рынке отсутствуют СЛД-модули ближнего ИКдиапазона спектра (800 - 900 нм) с выходной мощностью более 50мВт (20 - мВт при выводе излучения через волоконный световод). Это связано с трудностью обеспечения приемлемого срока службы более мощных приборов. Очевидным решением задачи создания мощных и надежных СЛД с умеренными токовыми и световыми нагрузками является использование конструкции с широким волноводом. Для большинства гетероструктур при традиционных методах создания оптического ограничения такой волновод будет многомодовым. Исследованные образцы имели традиционную для СЛД конструкцию. Ось гребневидного волновода длиной 1600 мкм и шириной 25 мкм имела наклон 7 по отношению к нормали к торцевым граням кристалла, на которые были нанесены антиотражающие покрытия. СЛД типа I были изготовлены на основе усовершенствованной КРС в системе (GaAl)As с активным слоем из нелегированного GaAs, типа II и III - на основе двух КРС в системе (InGa)As/(GaAl)As/GaAs с концентрацией индия в активном слое 0,04 и 0,соответственно. Несмотря на существенные различия в форме распределения интенсивности дальнего поля, эффективность ввода излучения в стандартный МВС с диаметром жилы 50 мкм при использовании цилиндрической микролинзы составила около 80% для всех трех типов исследованных СЛД. Таким образом, мощность из МВС превысила 100 мВт для СЛД типа II и 150 мВт для СЛД типов I и III. 1,При всех величинах тип II тип III тип I плотности тока накачки вплоть до 0,2,5 кА/см2 (предел для 0,использованного драйвера) преобладали переходы из 0,основного энергетического состояния, и, следовательно, спектр 0,800 840 880 920 960 10имел колоколообразную форму Длина волны, нм (рис. 13). Рис. 13. Спектры исследованных СЛД при токе накачки 950 мА. Образцы типов I и III были подвергнуты термоэлектротренировке в режиме непрерывной мощности при токе накачки 950 мА и температуре 25С. Экстраполяция их хронограмм позволяет предположить, что время жизни таких СЛД в этом режиме составит более 7000 часов для СЛД типа I и 4000 часов для СЛД типа III. Образцы типа II были подвергнуты лишь недолгой тренировке, однако её анализ позволяет предположить время жизни не меньше 4000 часов. В Заключении сформулированы основные результаты работы. Интенсивность, отн. ед. Основные результаты работы 1 Разработаны новые широкополосные суперлюминесцентные диоды ближнего ИК-диапазона спектра: 1.1 Изготовлены и исследованы СЛД на основе усовершенствованной ОКРС в системе (GaAl)As/GaAs мощностью от единиц до десятков милливатт с центральной длиной волны около 820 нм с шириной спектра более 70 нм и длиной когерентности менее 10 мкм при сохранении величины неоднородности спектра в пределах 50%. 1.2 Изготовлены и исследованы СЛД на основе ДКРС в той же системе (AlGa)As/GaAs с центральной длиной волны 830-840 нм с неоднородностью спектра в пределах 30% и увеличенной полушириной последнего - более 55 нм. Длина когерентности этих СЛД составила менее 13 мкм. Показано, что, несмотря на повышенную плотность рабочего тока инжекции, эти СЛД могут обладать достаточно продолжительным сроком службы. Благодаря малой длине активного канала использование данной конструкции СЛД позволяет значительно увеличить выход годных приборов при массовом выпуске. 1.3 Изготовлены и исследованы СЛД на основе (GaAl)As ОКРС и ДКРС с пространственно неоднородной инжекцией. 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. 1.4 Использование однослойных квантоворазмерных гетероструктур в системе (InGa)As/GaAs позволило создать СЛД диапазона 845-865 нм с увеличенной шириной спектра - около 60 нм, с длиной когерентности около 12 мкм. При использовании аналогичных ОКРС с тонким активным слоем толщиной 6.0 нм были реализованы СЛД этого диапазона с колоколообразным спектром шириной до 53 нм. 1.5 Впервые реализованы достаточно надежные широкополосные СЛД спектрального диапазона 750-800 нм на основе (GaAl)As ОКРС с алюмосодержащим активным слоем. При различных длинах активного канала эти СЛД обеспечивают непрерывную выходную мощность 3-мВт (1-30 мВт через ОВС, соответственно) при ширине спектра около 50 нм (длина когерентности около 12 мкм). 2 Исследовано изменение выходных характеристик широкополосных СЛД серии SLD-37 в ходе долговременной эксплуатации. Предложена методика ресурсных испытаний квантоворазмерных СЛД. Особое внимание уделено изменению спектров излучения СЛД в процессе их старения. Показано, что использование данной методики при входном контроле обработанных полупроводниковых гетероструктур, предназначенных для изготовления активных элементов СЛД-модулей, позволяет обеспечить их селекцию по ожидаемому сроку службы. 3 Разработаны новые комбинированные источники света серии BroadLighter: 3.1 Разработан двухканальный комбинированный источник света с центральной длиной волны 810 нм и шириной спектра более 100 нм (длина когерентности около 6.5 мкм). Создание такого источника стало возможным благодаря разработке надежных СЛД спектрального диапазона 750-800 нм. 3.2 Использование усовершенствованных технологий изготовления СЛД спектрального диапазона 1250-1350 нм и торцевых оптоволоконных микролинз позволило значительно улучшить характеристики двухканального источника света с центральной длиной волны 1300 нм. Разработан источник света с выходной мощностью более 10 мВт через ОВС, со спектром шириной более 120 нм (длиной когерентности мкм) и величиной спектральных неоднородностей не более 20%. 4 Исследованы три типа многомодовых СЛД с длинами волны 840, 890 и 9нм. Получена эффективность ввода в стандартный МВС с диаметром жилы 50 мкм - 80%. При токе накачки 1000 мА непрерывная мощность из МВС превысила 150 мВт для СЛД с длиной волны 840 и 950 нм и 100 мВт для СЛД с длиной волны 890 нм. По предварительным оценкам, срок службы этих СЛД превышает 4000 часов. Список литературы. [1] W.Drexler, J.G. Fujimoto УOptical Coherence TomographyФ, Springer (2008) [2] Chen R, Duker J, Srinivasan V, Fujimoto J. УSpeed and Resolution Improve in Newest OCT.Ф Review of Ophthalmology, 84, July (2007). [3] Андреева Е.В., Шраменко М.В., Якубович С.Д., УВлияние оптической обратной связи на выходные характеристики квантоворазмерных суперлюминесцентных диодов.Ф Квантовая Электроника, 37, №5, 443 (2007) [4] Батоврин В.К., Гармаш И.А., Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Любарский А.В., Плявенек А.Г., Сафин С.А., Семенов А.Т., Шидловский В.Р., Шраменко М.В., Якубович С.Д., УСуперлюминесцентные диоды на основе однослойных квантоворазмерных (GaAl)As-гетероструктурФ Квантовая Электроника, 23, №2, 113-118 (1996) [5] Лобинцов А.А., Успенский М.Б., Шишкин В.А., Шраменко М.В., Якубович С.Д. УВысокоэффективный полупроводниковый оптический усилитель спектрального диапазона 820 - 860 нм.Ф Квантовая электроника, 40(4), 3(2010) [6] УReliability assurance for optoelectronic devicesФ Telcordia Generic Requirements GR-468-CORE, Issue 2 (2004) [7] Адлер Д.С., Ко Т.Х., Конорев А.К., Мамедов Д.С., Прохоров В.В., Фуджимото Дж.Дж., Якубович С.Д., УШирокополосный источник излучения на основе квантоворазмерных суперлюминесцентных диодов для оптической когерентной томографии высокого разрешенияФ Квантовая электроника, 34, №10, 915 (2004) Основные результаты диссертации опубликованы в работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России: 1. Ю.О. Костин, Е.В.Андреева, Н.А.Волков, П.И.Лапин, А.А.Мармалюк, Д.Р.Сабитов, С.Д.Якубович Широкополосные СЛД ближнего ИК диапазона спектра на основе двуслойных квантоворазмерных гетероструктур., Квантовая электроника, 38(8), стp. 744-746, (2008) 2. Ю.О. Костин, С.Д.Якубович Двухсекционные широкополосные суперлюминесцентные диоды Квантовая электроника, 39(5), Стр. 421424 (2009) 3. Ю.О.Костин, Е.В.Андреева, С.Н.Ильченко, П.И.Лапин, Д.С.Мамедов, С.Д. Якубович Изменение выходных характеристик широкополосных СЛД в ходе продолжительной работы, Квантовая электроника, 41(7), стp. 595-601, (2011) 4. Ю.О.Костин, С.Н.Ильченко, И.А.Кукушкин, М.А.Ладугин, П.И.Лапин, А.А.Лобинцов, А.А.Мармалюк, С.Д. Якубович Широкополосные суперлюминесцентные диоды и полупроводниковые оптические усилителиспектрального диапазона 750 Ч 800 нм, Квантовая электроника, 41(8), стp. 677-680, (2011) Другие статьи и материалы конференций: 5. Yu.O. Kostin, E.V.Andreeva, P.Lapin, A.Lobintsov, V.Shidlovski, M.Shramenko, S.Yakubovich УStrained QW InGaAs/GaAlAs/GaAs SLDs and SOAs for HR OCT at 840 and 1060 nm BandsФ in Biomedical Optics (BIOMED), St.Petersburg, Florida Conf. Prog. BMD80 (2008) 6. Yu. Kostin, P.Lapin, V.Shidlovski, S.Yakubovich. УTowards 100nm wide SLDs at 840nm band.Ф in 1st Canterbury Workshop on OCT and AO, Univ. of Kent, UK, Tech.Prog., p.23 (2008) 7. Yu. Kostin, P.Lapin, V.Prokhorov, V.Shidlovski, S.Yakubovich УTowards 1.0W reliable SLD at 840 nm.Ф in 1st Canterbury Workshop on OCT and AO, Univ. of Kent, UK, Tech.Prog., p.24 (2008) 8. Yu. Kostin, P.Lapin, V.Prokhorov, V.Shidlovski, S.Yakubovich. УTowards 1.0W reliable SLD at 840 nm.Ф Proc. of SPIE, 7139, p.713904-1 - 7 (2008) 9. Yu. Kostin, P.Lapin, V.Shidlovski, S.Yakubovich. УTowards 100nm wide SLDs at 840nm band.Ф Proc. of SPIE, 7139, p.713905-1 - 7 (2008) 10. Yu.O. Kostin, A.A.Padalitsa, D.R.Sabitov, A.A.Panin, A.A.Andreew, A.A.Marmalyuk, A.V.Kurtepov, P.I.Lapin, S.D.Yakubovich УHigh Power Broadband SLD Heterostructures with Spectral Maximum in the Range 840-860 nm Grown by LP MOCVDФ Extended abstracts of 13th European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy. Ulm, Germany. June 7-10, P. 221-223 (2009) 11. Ю.О. Костин, С.Д.Якубович УДвухсекционные широкополосные суперлюминесцентные диодыФ, Труды XII Международной конференции Опто-, нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы, стр. 35, Ульяновск (2010) 12. Ю.О. Костин, П.И.Лапин, А.В.Куртепов, А.А.Лобинцов, А.А.Мармалюк, Д.Р.Сабитов, С.Д.Якубович УМощные и широкополосные СЛД высокой надежности со спектральным максимумом в полосе 840-8нмФ, 7th Belarusian-Russian Workshop УSemiconductor Lasers and SystemsФ Minsk, Book of Papers, p.75-79 (2009) 13. Yu.O. Kostin, E.V.Andreeva, P.I. Lapin, A.A. Lobintsov, M.V. Shramenko, S.D.Yakubovich УImproved SLDs and SOAs for high resolution optical coherence tomography.Ф, 7th Belarusian-Russian Workshop УSemiconductor Lasers and SystemsФ Minsk, Book of Papers, p.108-110 (2009) 14. Yu.O. Kostin, A.A. Lobintsov, S.D.Yakubovich УNovel SOA with tapered active channelФ, Proc. of 5th Int. Conf. on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOLТ2010), p.175-176, Sevastopol (2010) 15. Yu.O. Kostin, A.A. Lobintsov, S.D.Yakubovich УNovel High-power SLDs with wide active channelsФ, Proc. of 10th Int. Conf. On Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNMТ2010), p.10-12, Sevastopol (2010) 16. Yu.O. Kostin, A.A. Padalitsa, M.A. Ladugin, A.A. Marmalyuk, A.A. Lobintsov, S.D. Yakubovich УBroadband SLD heterostructures with spectral maximum in the range 750-800 nm grown by LP MOCVDФ, Extended abstracts of XIV European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (EW-MOVPE 2011), p. 123-125, Wroclaw, Poland, June 5-8 (2011) 17. Yu.O.Kostin, S.N.Ilchenko, M.A.Ladugin, P.I.Lapin, A.A.Lobintsov, A.A.Marmalyuk, S.D. Yakubovich УBroad-band SLDs emitting at 750-800 nmФ in 11th Int. Conf. on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. Kharkov, Ukraine Conf.Proc. paper LFNM-003 (2011) 18. Yu.O.Kostin, E.V.Andreeva, S.N.Ilchenko, P.I.Lapin, D.S.Mamedov, S.D. Yakubovich УChanges in output characteristics of broad-band SLDs in the process of long-term operationФ in 11th Int. Conf. on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. Kharkov, Ukraine Conf.Proc. paper LFNM-004 (2011) Подписано в печать 10 апреля 2012 г. Формат 60х90/16. Объем 1,5 п.л. Тираж 50 экз. Заказ № 100412______________________________________ Оттиражировано на ризографе в ООО УниверПринт ИНН/КПП 7728572912\7728010Адрес: г. Москва, Лефортовский пер., дом 8, корпус 2. Тел. 728-97-17, +7(499)261-78-
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям