超发光二极管

2022-10-17 16:06:27 浏览:405

定义

利用半导体超发光的宽带半导体光源。

半导体超发光二极管是一种光电半导体器件,基于超发光现象辐射宽带光。该器件结构与激光二极管类似,包含一个电流驱动的p-n结和一个光波导。但是非常重要的一点不同是,SLDs不存在反射形成的光学反馈,因此不会产生激光。端面的寄生光学反馈会形成谐振器模式,因此在光谱中产生对应的结构和光谱变窄,该效应可以通过使端面与波导之间倾斜进行抑制,采用抗反射涂层可以进一步抑制。SLD是一种不需要入射信号的半导体光放大器,其中弱的自发辐射进入到波导模式中,然后进行强的激光放大过程。

超发光二极管常用的缩写为SLD。而SLED通常用于表面发射LED,二者的意义完全不同,因此很容易引起误解。

波长,功率和光学带宽

大多数的超发光二极管都辐射800 nm,1300 nm和1550 nm波长附近中的一个。但是,也存在其它波长处的器件,例如可见光区域。

SLD典型的输出功率在几毫瓦到几十毫瓦之间,辐射的光在空间上接近于是衍射极限的,即空间相干性和光束质量都很高。因此,宽带输出很容易耦合进单模光纤中。光纤耦合的SLDs是最常见的类型。

SLD的光学带宽通常是几十纳米,有时甚至高于100 nm。对应的相干长度为几十微米,甚至只有几个微米。由于增益变窄,因此需要在高的输出功率和宽的带宽之间进行权衡,当然也可以采用不同的方法进行改进。这种权衡以及存在光学反馈,是SLDs光功率低于激光二极管的主要原因。

另一个在很多应用中都很重要的因素的波长稳定性,尤其是在温度变化和老化的环境下工作时。通常中心波长每单位开尔文温度变化引起的偏移量为几分之一纳米,半导体的增益光谱也随之偏移。

各种技术问题

SLDs需要仔细的保护使其不受外界光反馈的影响。即使反馈很小也会降低总体的辐射带宽和输出功率,有时甚至得到寄生激光,辐射光谱中产生窄的尖峰。有些装置甚至会因为光反馈而被损坏。需要注意的是,从一个垂直切割的光纤端面的菲涅尔反射已经大于反馈所能容许的值。

与激光二极管类似的是,SLDs对静电放电和电流尖峰(例如,来自于不合理的驱动电子学设计)非常敏感。但是,如果进行仔细处理并且工作满足指标要求,SLDs可以持续工作上万个小时。

应用

SLDs应用在需要平滑的宽光谱(即,低的时间相干性)和高的空间相干性、相对较高强度光源的领域。例如:

1.光学相干断层扫描(OCT),例如用于眼角膜和视网膜诊断,用于心血管造影,还有其他生物医学或者生物研究中,需要高空间分辨率、宽带宽的影像,以及需要利用足够高光功率同时保证高的信噪比情况下用于快速成像时。
2.在测量光纤和其他光学元件的色散时也需要采用宽带光源(例如,白光光源)。一个例子为白光干涉仪。
3.宽带光源可用于测量光电器件,例如,根据透射或者反射光谱,放大系数,色散等。这可以用在光纤链路中通过测量色散或者偏振模式色散来诊断问题。在该应用下,器件辐射波长通常选取1300 nm或者1500 nm。
4.有些光纤传感器,例如测量建筑物中、油管或者油田的温度、应力或者压力,也需要采用宽带光源。高的输出功率是非常有利的,因为这样可以在很长距离的光纤上采用很多个传感器。
5.光纤陀螺仪可以用于大型飞机的导航等,也需要利用宽带光源。与旋转角速度相关的Sagnac相移原理上也可以采用环形激光器进行测量。但是,采用环形激光器在很低旋转速率情况下存在相位锁定现象,而利用宽带光源的光纤陀螺仪就不存在这个问题。并且,该装置相对简单坚固,并且不存在非常昂贵的器件。但是,该光源的波长稳定性是一个很大的问题,需要仔细的进行处理。

可能的替代器件

若要得到更高的输出功率,SLD可以由光纤放大器替代。但是,光纤耦合的光源比较昂贵。

有时只需要很低的光功率,可以采用简单的灯泡。但是,灯泡的亮度比SLD小几个数量级,因此信噪比或者测量速度差别很大。

理论上来说,SLD是没有输入信号的半导体光放大器(SOA),但是它经过优化可以得到很好的输出功率和带宽的结合,因此比其他的SOA更适合用在宽带光源产生中。

参考文献

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参阅:超发光光源、超发光、白光光源、白光干涉仪

光学器件

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