Суперлюминесцентный излучатель
Предложенные суперлюминесцентные излучатели предназначены для использования в аппаратуре медицинской диагностики, экологической аппаратуре контроля газовых сред, волоконно-оптических датчиках давления, температуры, вибрации, химического анализа веществ, скорости потока жидкости и газов, в системах связи, контрольно-измерительной аппаратуре. Двухпроходный суперлюминесцентный излучатель содержит по крайней мере один полупроводниковый активный кристалл суперлюминесцентного диода и кристаллическую брэгговскую решетку, из чередующихся параллельных слоев двух видов полупроводниковых материалов. Решетка находится в оптическом контакте с торцевой гранью активного элемента, противоположной выводу излучения. Техническим результатом предложенного двухпроходного суперлюминесцентного излучателя является увеличение мощности излучения при сохранении стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный кристалл, а также значительное упрощение технологии изготовления за счет упрощения и ускорения сборки элементов излучателя, увеличение долговечности и надежности, уменьшение габаритов излучателя, снижение его себестоимости.
1 н.п., 6 з.пп., одна фигура.
Область техники
Полезная модель относится к области полупроводниковой квантовой электроники, к полупроводниковым суперлюминесцентным излучателям, в том числе к суперлюминесцентным диодам.
Предшествующий уровень техники
Актуальной проблемой является стабилизация длины волны и ширины спектра выходного излучения полупроводниковых двухпроходных суперлюминесцентных излучателей, в частности суперлюминесцентных диодов, с токовой инжекцией при выводе излучения через торец активного кристалла с осью выходного излучения в плоскости p-n перехода.
Известно, что для стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения лазерного или суперлюминесцентного диода с одной из торцевых сторон активного элемента помещают брэгговскую решетку. Она может быть либо на поверхности волноведущего слоя из не поглощающего лазерное излучение полупроводникового кристалла [Н.Н.Гавриленко и др. Квантовая электроника, 17, 40 (1990)], либо на поверхности световолокна (см., например, [V.Jayaraman, Z.M.Chuang, L.A.Coldrew IEEE J.Quntum Electron., v.QE-29, no.6, 1993, p.1824 - обзор; H.A.Авруцкий, В.П.Дураев и др., Письма в ЖТФ, т.13, вып.14 (1987), сс.849-854; заявка US2010/0074282, опубликованная 25.03.2010]).
Лучшие результаты по стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения и его сужения были получены при использовании фотоиндуцированной решетки Брэгга, сформированной на сердцевине световолокна - волоконной брэгговской решеткой (далее, ВБР). Известно, что такую решетку размещают как на пути выходного сигнала [Свидетельство на полезную модель 8175RU от 11.12.1997, МПК6 - H01S 3/18, опубликовано 16.10.1998; М.I.Belovolov, A.V.Gladyshev, V.P.Duraev et al., Proc.of SPIE, Vol.5381, pp.20-25, Fig.1]), так и со стороны, противоположной выводу излучения (см., например, [M.I.Belovolov, A.V.Gladyshev, V.P.Duraev et al., Proc.of SPIE, Vol 5381, pp.20-25, Fig.2; O.B.Журавлева и др. Квантовая электроника, 36, 8 (2006), с.743, Рис.1]). В обоих случаях для повышения качества выходного излучения преимущественно используют два микрохолодильника, индивидуальных для активного элемента и для ВБР.
Во всех рассмотренных случаях наибольшие проблемы возникают при юстировании световолокна с брэгговской решеткой относительно излучающей области полупроводникового излучателя во время его сборки и сохранении достигнутых параметров во время его эксплуатации.
Проблема стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения очень важна для суперлюминесцентных двухпроходных источников излучения. Известен узкополосный двухпроходный суперлюминесцентный излучатель (диод) с длиной волны излучения 1060 нм [А.А.Лобинцов, Квантовая Электроника, 2009, Том 39, 
9, с.793-796]. Двухпроходный суперлюминесцентный диод имеет внешний спектрально-селективный отражатель (элемент с брэгговской решеткой в виде ВБР).
Как показано в данной статье при использовании ВБР для активного элемента двухпроходного СЛД получен узкополосный источник с выходным излучением с шириной спектра в диапазоне 0.1-1.0 нм, что не приемлемо для большого числа применений СЛД.
Кроме того, для создания такого прибора необходимо осуществление процесса прецизионной юстировки ВБР относительно излучающей активной области активного элемента, для чего используют механическую систему для перемещения решетки. Надежность такой системы обычно низка. Процесс длителен и трудоемок. Необходимо также использование фотодиода для регистрации излучения в процессе юстирования. Используемое дополнительное оборудование дорогостояще. Наблюдаются трудности в сохранении достигнутых параметров во время эксплуатации прибора.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом предложенного суперлюминесцентного излучателя является увеличение мощности излучения при сохранении стабилизации длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный кристалл, а также значительное упрощение технологии изготовления за счет упрощения и ускорения сборки элементов излучателя, увеличение долговечности и надежности, уменьшение габаритов излучателя, снижение его себестоимости.
В соответствии с полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен суперлюминесцентный излучатель на основе многослойной гетероструктуры с p-n переходом, содержащий активный элемент с металлическими токовыми контактами на поверхностях, параллельных плоскости p-n перехода, для инжекции тока накачки и получения активных областей излучения при работе лазерного излучателя, причем со стороны поверхности гетероструктуры имеется полосковый контакт, не менее половины которого со стороны выводной торцевой грани составляет угол 7°-10° с плоскостью выводной торцевой грани, а также с покрытиями на его торцевых гранях, перпендикулярных продольной оси выходного излучения из активной области активного элемента при работе суперлюминесцентного излучателя, одна из торцевых граней выводная, предназначенная для вывода излучения при работе суперлюминесцентного излучателя, причем торцевая грань, противоположная выводной, имеет просветляющее покрытие. Со стороны торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, имеется элемент с брэгговской решеткой в виде чередования параллельных плоских областей с различным коэффициентом преломления и параллельных торцевой грани. Дополнительно в предложенном суперлюминесцентном излучателе активный элемент имеет по крайней мере один полосковый контакт на поверхности гетероструктуры для обеспечения по крайней мере одной активной области при токовой инжекции и, кроме того, имеется по крайней мере один активный элемент. Элементом с брэгговской решеткой является кристаллическая брэгговская решетка, в которой чередующимися параллельными плоскими областями являются чередующиеся параллельные слои двух видов полупроводниковых материалов, причем число пар, их толщины и различие коэффициентов преломления полупроводниковых материалов определяются условием Брэгга. Упомянутая кристаллическая брэгговская решетка имеет оптический контакт с торцевой гранью активного элемента, противоположной выводной. Кроме того, суперлюминесцентный излучатель имеет корпус, содержащий контактную пластину, на поверхности которой находятся активный элемент с кристаллической брэгговской решеткой, причем между кристаллической брэгговской решеткой и поверхностью контактной пластины имеется слой связующего средства.
Существенным отличием предложенного нового двухпроходного суперлюминесцентного излучателя (далее, СЛ излучатель) состоит в неочевидном и оригинальном использовании кристаллической брэгговской решетки, (далее, КБР) и ее расположении, не требующих юстирования. Наличие оптического контакта с зеркальной торцевой гранью активного элемента и соизмеримость размеров площадей КБР и торцевой грани исключают необходимость процесса юстирования. Кроме того, исключаются фотодиод, используемый в процессе юстирования элемента с брэгговской решеткой относительно активной области активного элемента и дополнительный микроохладитель для элемента с брэгговской решеткой. В то же время КБР находится на микроохладителе совместно с активным элементом, в процессе накачки СЛ излучателя через КБР ток не проходит, вследствие чего температура КБР остается неизменной при работе СЛ излучателя.
Кристаллическая брэгговская решетка может быть выращена либо методом молекулярно-лучевой эпитаксии, либо методом МОС-гидридной эпитаксии, например, на подложке GaAs, образованием чередующихся параллельных слоев твердого раствора GaAlAs и GaAs. Ее подбирают в соответствии с длиной волны излучения СД излучателя.
Отсутствие необходимости использования дорогостоящего оборудования и длительного трудоемкого процесса прецизионного юстирования привело к удешевлению и ускорению процесса сборки СЛ излучателя.
Вероятность разъюстировки вследствие сдвигов КБР по отношению к плоскости торцевой грани активного элемента исключена, так как активный элемент и КБР дополнительно закреплены относительно друг друга.
Технический результат достигается также тем, что слоем связующего средства являются либо стеклянная паста, либо оптический клей.
Проведенные испытания при различных климатических воздействиях среды подтвердили предполагаемую высокую надежность предложенного устройства при высокой выходной мощности излучения со стабильной длиной волны в процессе работы и сохранении ширины спектра выходного излучения при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный кристалл.
Технический результат достигается тем, что противоположный конец полоскового контакта перпендикулярен торцевой грани, противоположной выводной.
Технический результат достигается тем, что ось полоскового контакта составляет угол 7°-10° с каждой из торцевых граней.
Технический результат достигается тем, что на одной из поверхностей активного элемента находятся по крайней мере два полосковых металлических токовых контакта, т.е. наличия по крайней мере двух активных областей при работе СЛ излучателя. Такой активный элемент является монолитной излучающей линейкой и имеет две параллельные торцевые грани, выводную и противоположную ей. Кристаллическая брэгговская решетка также находится в оптическом контакте с торцевой гранью активного кристалла, противоположной выводной, т.е. одна КБР ко всем имеющимся активным областям. Получают выходное излучение повышенной мощности со стабильной длиной волны и шириной спектра.
Технический результат достигается тем, что при имеющихся по крайней мере двух активных элементах упомянутая кристаллическая брэгговская решетка находится в оптическом контакте с обеими торцевыми гранями, противоположными выводным, обоих активных элементов. Этот признак относится ко всем возможным различным соединениям активных элементов как излучающим линейкам, так и излучающим решеткам.
Таким образом, предложены полупроводниковые суперлюминесцентные излучатели как диоды, так и более мощные: линейки (как наборные, так и монолитные), решетки. Увеличены их долговечность и надежность. Достигнуто повышение мощности при стабильной длине волны и ширине спектра выходного излучения в процессе работы при изменении температуры окружающей среды и тока накачки через активный(е) кристалл(ы). Значительно упрощена сборка элементов СЛ излучателя, уменьшены временные затраты, уменьшены габариты излучателя, снижена его себестоимость.
Анализ патентных материалов, и технической литературы показал, что совокупность представленных существенных отличительных признаков полезной модели нова.
Технологическая реализация предложенного в настоящей полезной модели суперлюминесцентного излучателя основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
Настоящая полезная модель поясняется фигурой 1, на которой схематически изображено продольное сечение предложенного суперлюминесцентного излучателя, где
1 - металлокерамический корпус, 2 - активный элемент СЛ излучателя, 3 - микроохладитель, 4 - терморезистор, 5 - одномодовое световолокно, 6 - микролинза, 7 - кристаллическая брэгговская решетка, 8 - оптический коннектор, 9 - контактная пластина, 10 - слой связующего средства.
Осуществление полезной модели
В дальнейшем полезная модель поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные модификации СЛ излучателя не являются единственными и предполагают наличие других реализации (в том числе в известных диапазонах длин волн), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы полезной модели.
Рассматриваемый предложенный СЛ излучатель состоит из одного активного элемента 2 двухпроходного суперлюминесцентного диода (далее, СЛД). Активный элемент 2 изготовлен из пластины многослойной гетероструктуры РО ДГС из полупровониковых соединений InAIAs-InGaAs-InGaAsP (с p-n переходом), выращенной на подложке из GaAs. На сколотых зеркальных торцевых гранях, параллельных друг другу, нанесены просветляющие покрытия: с коэффициентом отражения R1-излуч, равным 0,4%, на выводную торцевую грань и с коэффициентом отражения Р2-крист, равным 0,05%, на противоположную ей.
На поверхностях, параллельных плоскости p-n перехода, активного элемента имеются металлические токовые контакты: на поверхности подложки - сплошной металлический токовый контакт из Sn-Au, а на поверхности гетероструктуры - полосковый металлический токовый контакт из Au-Zn, ось которого составляет с выводной торцевой гранью угол 7°±0,5°.
Контактная пластина 9 соединена из двух контактных пластин лазерной сваркой (на фигуре не указано на первую часть контактной пластины 9 для активного элемента 2 и на вторую часть - для микропечи (на фигуре не показана) с одномодовым световолокном 5).
Активный элемент 2 припаян на поверхности первой контактной пластины 9. Со стороны, противоположной выводу излучения, на торцевой грани активного элемента 2 на оптическом контакте установлена кристаллическая брэгговская решетка 7 (далее, КБР). Между первой контактной пластиной 9 и КБР 7 имеется стеклянная паста 10 (слой связующего средства 10) для дополнительного закрепления КБР 7. После этого коэффициент отражения Р2-КБР со стороны, противоположной выводу излучения, становится равным 97%±1%. КБР 7 изготовлена методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке GaAs. В ней образовано 18 пар чередующихся параллельных слоев твердого раствора GaAIAs и GaAs.
В данном случае предусмотрен вывод излучения через одномодовое световолокно 5, установленное со стороны выводной торцевой грани активного элемента 2 на микропечи, установленной на второй части контактной пластины 9, соединенной с первой контактной пластиной 9 активного элемента 2 лазерной сваркой.
Одномодовое световолокно 5 имеет на конце, обращенном к активному элементу 2, микролинзу 6. На противоположном конце световолокна 5 смонтирован оптический коннектор 8 типа FC/APC. Световолокно 5 защищено полимерным кембриком. Световолокно 5 устанавливают на микропечь, юстируют световолокно 5 относительно активного элемента 2 СЛД, закрепляют его на микропечи и в корпусе 1 типа 14 pin DIL.
На основании корпуса 1 закреплен микроохладитель 3, на противоположной его поверхности припаяны терморезистор 4 и контактная пластина 9 (поверхностью, противоположной расположению активного элемента и т.д.). Имеются требуемые электрические выводы.
СЛД работает следующим образом.
На активный элемент 2 подают постоянный ток, равный 150 мА. Возникающее излучение выходит из активной области через торцевую грань, противоположную выходной, проходит КБР 7, отражается и селектируется КБР 7, попадает обратно в активную область и выводится через выводную торцевую грань.
Мощностные и спектральные характеристики СЛД до установки КБР следующие: мощность излучения 3 мВт, ширина спектра выходного излучения - 32 нм при длине волны излучения - 1064 нм.
При измерении мощностных и спектральных характеристик СЛД на выходе одномодового световода получено: мощность излучения на выходе световода равна 5 мВт, ширина спектра выходного излучения - 32 нм, равная селективности КБР.
При электротермотренировке СЛД в течение 100 часов не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения СЛД. При нагреве до 50°С и при изменении тока накачки СЛД также не наблюдалось изменения длины волны и ширины спектра выходного излучения.
Для других модификаций СЛД, а именно,
- при замене стеклянной пасты на оптический клей,
- при выполнении искривленного полоскового контакта - со стороны выводной торцевой грани 60%±0,5% длины полоскового контакта является его прямым участком и составляет угол 7°-10° с плоскостью выводной торцевой грани, а далее имеется плавный переход к части полоскового контакта перпендикулярной торцевой грани, противоположной выводной.
Параметры СЛД не изменялись.
В следующем варианте в СЛ излучателе (на фигуре не показано) имелась линейка из десяти активных элементов 2 на контактной пластине 9. Единая КБР 7 установлена на оптическом контакте на все десять торцевых граней, противоположных выводным, десяти активных элементов 2 линейки и закреплена при помощи стеклянной пасты 10 на контактной пластине 9. Отсутствует световолоконный вывод излучения и исключены контактная пластина микропечи и световолокна.
Определено, что выходная мощность увеличилась. При изменении температуры от 25°C до 50°С длина волны и ширина спектра выходного излучения оставались без изменений.
Именно использование только одной, единой кристаллической брэгговской решетки для всех активных элементов как излучающих линеек, так и излучающих решеток, причем при различного вида активных элементов, позволило обеспечить стабилизацию длины волны и ширины спектра выходного излучения в процессе работы многоэлементного полупроводникового излучателя при изменении температуры окружающей среды и тока накачки при высокой мощности излучения, долговечности и надежности. Технология изготовления значительно более простая - упрощена и значительно ускорена сборка элементов излучателя. Уменьшены габариты, снижена себестоимость.
Промышленная применимость
Предложенный суперлюминесцентный излучатель предназначен для использования в аппаратуре медицинской диагностики, экологической аппаратуре контроля газовых сред, волоконно-оптических датчиках давления, температуры, вибрации, химического анализа веществ, скорости потока жидкости и газов, в системах связи, контрольно-измерительной аппаратуре.
1. Суперлюминесцентный излучатель на основе многослойной гетероструктуры с p-n переходом, содержащий активный элемент с металлическими токовыми контактами на поверхностях, параллельных плоскости p-n перехода, причем на поверхности гетероструктуры имеется полосковый контакт, не менее половины которого со стороны выводной торцевой грани составляет угол 7-10° с плоскостью выводной торцевой грани, а также с оптическими покрытиями на его торцевых гранях, перпендикулярных продольной оси выходного излучения из активной области, одна из торцевых граней выводная, причем торцевая грань, противоположная выводной, и имеет просветляющее покрытие со стороны торцевой грани активного элемента, противоположной выводной, также содержащий элемент с брэгговской решеткой в виде чередования параллельных плоских областей с различным коэффициентом преломления и параллельных торцевой грани, отличающийся тем, что активный элемент имеет по крайней мере один полосковый контакт на поверхности гетероструктуры и, кроме того, имеется по крайней мере один активный элемент, элементом с брэгговской решеткой является кристаллическая брэгговская решетка, в которой чередующимися параллельными плоскими областями являются чередующиеся параллельные слои двух видов полупроводниковых материалов, причем число пар слоев, их толщины и различие коэффициентов преломления полупроводниковых материалов определяются условием Брэгга, упомянутая кристаллическая брэгговская решетка имеет оптический контакт с торцевой гранью активного элемента, противоположной выводной, а также имеется корпус, содержащий контактную пластину, на поверхности которой находятся активный элемент с кристаллической брэгговской решеткой, причем между кристаллической брэгговской решеткой и поверхностью контактной пластины имеется слой связующего средства.
2. Суперлюминесцентный излучатель по п.1, отличающийся тем, что связующим средством является стеклянная паста.
3. Суперлюминесцентный излучатель по п.1, отличающийся тем, что связующим средством является оптический клей.
4. Суперлюминесцентный излучатель по п.1, отличающийся тем, что противоположный конец полоскового контакта перпендикулярен торцевой грани, противоположной выводной.
5. Суперлюминесцентный излучатель по п.1, отличающийся тем, что ось полоскового контакта составляет угол 7-10° с каждой из торцевых граней.
6. Суперлюминесцентный излучатель по п.1, отличающийся тем, что на одной из поверхностей активного элемента находятся по крайней мере два полосковых контакта.
7. Суперлюминесцентный излучатель по п.1, отличающийся тем, что при имеющихся по крайней мере двух активных элементах кристаллическая брэгговская решетка находится в оптическом контакте с обеими торцевыми гранями, противоположными выводным, обоих активных элементов.
