автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Широкополосные суперлюминесцентные диоды для оптической когерентной томографии

005018058

іавах рукописи

Костин Юрий Олегович

Широкополосные суперлюмннесцентные диоды для оптической когерентной томографии

05.27.03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 2012

МОСКВА-2012

005018058

Работа выполнена в ФГУП НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха

Научный руководитель:

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 « і"^» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м. н.

Кротов Ю,А.

О М

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 ОКТ-системы получили в офтальмологии [2]. Диагностические аппараты серии Stratus ОСТ, серийно выпускаемые уже несколько лет фирмой Carl Zeiss Méditée, успешно применяются в офтальмологических клиниках и медицинских центрах по всему миру. В этих аппаратах используются СДЦ-модули ближнего ИК-диапазона со спектральной шириной линии излучения ДА, = 22-25 нм, что позволяет реализовать аксиальное разрешение около 15 мкм. Наряду с этим, в десятках фирм и лабораторий ведется разработка аналогичной аппаратуры с повышенным пространственным разрешением, для чего требуются более широкополосные СЛД. В устройствах ОКТ пространственное разрешение томограмм улучшается с уменьшением длины когерентности Le s Х2/АХ, т.е. с ростом ширины спектра источника излучения АХ. В 2007 году фирмы Optopol Technology, Topcon Medical Systems и Optovue начали серийный выпуск офтальмологических ОКТ-систем следующего поколения. В них используются светоизлучающие модули серии SLD-37 с АХ = 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.

Л

з I *

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 (ОаА1)А$ ОКРС при поддержании спектральной полуширины АХ около 70 нм диапазон возможных значений выходной мощности составил 2,8 - 90,2 мВт. Для двухсекционных СЛД на основе ДКРС при поддержании полуширины ДА, 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 ни с увеличенной шириной спектра. В зависимости от длины активного канала мощность излучения этих СЛД через ОВС составила от 0.6 до 60 мВт, при ширине спектра от 63 до 55 нм соответственно. Важно отметить, что использование твердого раствора InGaAs в активном слое позволило сохранить центральную длину волны в диапазоне 840 +/- 5 нм.

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 10 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 OKT. Особое внимание уделено изменению спектров излучения СЛД в процессе их старения. Показано, что использование данной методики при входном контроле обработанных полупроводниковых гетероструктур (ОГЭС), предназначенных для изготовления активных элементов СЛД-модулей, позволяет обеспечить их селекцию по ожидаемому сроку службы.

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 неодаородностей 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.

Ю.Разработаны и исследованы три типа многомодовых СЛД с длинами волны 840, 890 и 950 нм. Получена эффективность ввода в стандартный многомодовый волоконный световод (МВС) с диаметром жилы 50 мкм -80%. При токе накачки 1000 мА непрерывная мощность из МВС превысила 150 мВт для образцов с длиной волны 840 и 950 нм и 100 мВт для образцов с длиной волны 890 нм. Оцененное время жизни образцов превышает 4000 часов.

На защиту выносятся следующие положения:

• Разработаны и исследованы широкополосные СЛД ближнего инфракрасного диапазона спектра с рекордными спектральными параметрами.

• Разработана методика и проанализированы результаты ресурсных испытаний квантоворазмерных СЛД серии SLD-37, широко используемых в OKT. Особое внимание уделено изменению спектров излучения СЛД в процессе их старения.

• Разработан новый комбинированный источник света с центральной длиной волны спектра излучения около 810 нм - BroadLighter D-810. Улучшены характеристики комбинированного источника света BroadLighter D-1300.

• Разработаны и исследованы три типа мощных многомодовых СЛД с длинами волны 840, 890 и 950 нм.

Практическая ценность результатов работы.

Большинство из вышеперечисленных результатов работы уже на сегодняшний день нашло своё практическое применение и внедрено в производство. Так, компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» коммерчески реализованы новые типы серийно выпускаемых и перспективных с практической точки зрения светоизлучающих модулей серий SLD-331-МР/НР, SLD-351-MP/HP, SLD-M381. Разработанная методика ресурсных испытаний широкополосных СЛД принята компанией ООО «Суперлюминесцентные Диоды» для обязательного тестирования ОГЭС, используемых для изготовления модулей серии SLD-37. Коммерчески реализованы также новый комбинированный источник света BroadLighter D-810 и улучшенный BroadLighter D-1300.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Biomedical Optics (BIOMED), St.Petersburg, Florida (2008); 1st Canterbury Workshop on OCT and AO, Univ. of Kent, UK (2008); 13th European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy. Ulrn, Germany (2009); 7th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk (2009); XII Международной конференции «Опто-, нанофотоника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск (2010); 5th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2010), Sevastopol (2010); 10th International Conference on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2010), Sevastopol (2010), XIV European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (EW-MOVPE 2011), Wroclaw, Poland, (2011); 11th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling' Kharkov, Ukraine (2011).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ и 2 - в журнале Proceedings of SPIE. Список публикаций приведен в заключительной части автореферата.

Структура и объем работы.

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 супеплюминесцентные 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.

n-Ak.Ga^As

p-Af„Ga„As

Ala,GaalAs ¿__\

n-GaAs

GaAs

p-GaAs

Рис.1. Зонная диаграмма (GaAI)As/GaAs ОКРС (da=9.5 нм)

760 710 tOO 820 840 860 880

Длина волны, нм

Рис.2. Спектр излучения 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 Ьа 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.

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 (АЮа)АБ барьером. Были использованы два типа ДКРС, отличающиеся шириной квантовых ям. У структур Типа I эта величина была на 25% больше, чем у структур Типа И.

На Рис. 4 изображены спектры излучения для двух образцов СЛД на основе ДКРС различных типов.

п-АиЄа^

р-А1„6а„А5

п-баАг

Р-ЄОА5

Рис. 3. Схематическая зонная диаграмма (ОаА1)А5/ОаАз ДКРС.

720 750 780 810 840 870 900 930

Длина ВОЛНЫ (нм)

Рис. 4. Спектры излучения СЛД на 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./. В рамках настоящей работы предварительным ресурсным испытаниям были подвергнуты четыре партии образцов СЛД: Типа I с Ьа = 600 и 700 мкм и Типа II с 1а = 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 (Ьа = 600 мкм) и более 15 000 часов (1а = 700мкм). К сожалению, образцы Типа И, 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 инжекцин при создании СЛД с двугорбым спектром. Особенностью СЛД с двугорбой формой спектра является тот факт, что величины ширины спектра АХ, близкие к максимальной, реализуются в достаточно узком диапазоне значений тока инжекции 15ц> 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 ДА. на максимальном уровне, то для этого при

использовании пространственно однородной инжекции имеется, практически, единственное решение - изготовление новых образцов СЛД с большей или меньшей длиной активного канала Ц.

Рис.5. Спектры выходного излучения 2-х секционного СЛД при различных комбинациях токов инжекции: 1 -11=105мА, 12=0 мА, Рбм=0.8 мВт;

2 - ^=192 мА, 12=20 мА, Ркм=6.04 мВт; 3 -1,=251 мА, 12=30 мА, Р<;м=12.1 мВт;

4 -1[=289 мА; 12=45 мА, Р5м-.18 мВт; 5 -11=196 мА; 12=196 мА, Рзм=37.1 мВт.

(Рзм - 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 1-е 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 11 и ¡2 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 ([пСа)Аз/(СаА1)А5/'СаАз. Разработка широкополосных КРС-СЛД с активным

слоем 1пхОа1.хА5 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 (1пОа)А8/(СаА1)Аз/ОаА8 с активным слоем толщиной около 10 нм из твердого раствора 1пхОа1.хА5.

У трех использованных структур концентрация 1п варьировалась вблизи х=0,02 (образцы типа 1-3). На рис.6 представлены типичные спектры излучения указанных СЛД в рабочих точках, где ширина спектра достигает своего максимального значения.

Предварительные ресурсные

испытания таких СЛД дали для их времени жизни оценку времени жизни >10000 час.

840

Длима волны, нм

Рис.6. Типичные спектры излучения СЛД типов 1, 2 и 3 в рабочих точках

созданы на основе напряженной слоем толщиной б нм. Для такой

Образцы СЛД типа 4 были гетероструктуры с ТпСаАй активным структуры первое возбужденное состояние гораздо выше основного по энергии, поэтому при любых величинах плотности тока накачки, вплоть до порога катастрофической деградации, коротковолновый максимум, соответствующий

¿а (нм) и (мкм) ІБІЛ) (мА) І (кА/см2) (мВт) Р&М (мВт) ^•т (нм) ДА, (нм) МПТ (час)

6.0 600 200 8.3 2.1 0.7 835 62.0 —

800 250 7.8 6.4 3.1 836 53.0 <10^

1000 210 5.2 13.6 7.1 838 40.0 >5*10'

1200 300 6.2 41.7 24.4 839 33.0 >104

1600 350 5.5 85.6 50.5 846 24.0 >2*104

Табл. 1. Основные характеристики исследованных СЛД типа 4

В таблице 1 представлены типичные мощностные и спектральные характеристики исследованных образцов при различных длинах активного канала. Здесь с/а - толщина активного слоя, Ьа - длина активного канала, -ток инжекции, ] - плотность тока инжекции, Р[тя - оптическая мощность в открытое пространство, - мощность из ОВС, Л,, - медианная длина волны, АЛ - ширина спектра на половине высоты, МТТР - оценочное время жизни излучателя. Для образца с Ь0 = 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

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 им.

гьАЦЗа^

/ \

' 0 нм ■*

АІв^а^Аз

^Аіа.&с^А;

р-ОаАз

760 780 Длина волны, нм

Рис.7. Зонная (СаАОАБ/СаАБ ОКРС

диаграмма Рис. 8. Типичная эволюция спектра выходного излучения СЛД при изменении тока инжекции

Исследованные СЛД были созданы на основе однослойной квантоворазмерной гетероструктуры в системе (А1хОа|.х)А5/ОаАз с концентрацией А1-0.1 в активном слое толщиной 10 нм. Зонная диаграмма слоев 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 Ргз(0 даёт расчетное время наработки на отказ 3300-14000 часов для различных длин активного канала, что вполне приемлемо для многих практических применений.

В Главе П «Исследование надежности широкополосных СЛД» описана методика и приведены результаты ресурсных испытаний квантоворазмерных СЛД серии 8ЬБ-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.

Очень важно указать на спектральные особенности рассматриваемых СЛД. В отличие от традиционных торцевых ЛД и СЛД на основе «объемных» 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 АХ (длина когерентности Ьс = Х2/Ак), определяющая пространственное разрешение томограмм, является ключевым параметром. Величина АХ 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 АХ, 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.

Рис. 9. Зависимость полуширины Рис. 10. Хронограммы выходной спектра от относительной разности мощности при начальной наработке спектральных максимумов. СЛД из различных однотипных ОГЭС

(режим АКТ)

Во втором разделе описана методика ресурсных испытаний активных элементов СЛД-модулей, учитывающая эту их особенность.

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 10 в режиме АКТ в течение 120-240 час. По окончании этих испытаний повторно измерялись выходные спектральные характеристики. По характеру

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 СЛД-чипов при температуре 25°С. 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 Ррв(0 производилась оценка «мощностного» срока службы тр каждого образца. Для образцов с падающей мощностью использовался общепринятый критерий отказа: Ррз(Тр) = 0,5 РГ5(0) (1). Для образцов, демонстрирующих рост мощности в ходе испытаний, был введен «симметричный» критерий отказа: Рге(тр) = 1,5 Рк(0) (2).

Такой подход оправдан тем, что во всех спецификациях на модули серии 8П}-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 АЯ.(68), представленная на Рис.9, подсказывает, что было бы разумным в качестве критерия отказа ввести соотношение: | ой(т5)| = 40% (3).

Действительно, при превышении величиной этого значения величина ДА, 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: |Д10(т8)| = 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 МТТР < 10 000 часов (с 18,5% (5/27) до 3,7% (1/27)) и увеличить процент «долгожителей» с величиной МТТР > 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. 11.6).

5-10 10-20 20-40 40-80 >80 Срок службы т (тыс. час)

Ют

9-| ;

5 4 3 2 1 0

5-10 10-20 20-40 40-80 >80 Срок службы г (тыс. час)

Рис. 11 Гистограмма ожидаемого срока службы СЛД из различных ОГЭС т=МШ[тр, т5] (□-т8<хр; и-т5>Гр). При определении т8 использован критерий (3) - (а.); критерий (4) - (б.)

Глава_Щ_«Новые_комбинированные_источники

сверхширокополосного излучения на основе разработанных СЛД»

включает описание двух комбинированных источников.

Во Введении кратко описаны принципы создания комбинированных источников света и их преимущества [7].

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-1300 модулей, удалось снизить неоднородность спектра, которая теперь не превышает 20%. Спектр выходного излучения прибора представлен на рис. 12.

Длина волны, нм Длина волны, нм

Рис. 11. Спектр комбинированного Рис. 12. Спектр комбинированного источника BroadLighter 0-810. источника BroadLighter 0-1300

Приложение 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 «узких» одномодовых приборов и порядка единиц Вт для многомодовых) была продемонстрирована во многих экспериментальных работах. Однако по сей

день на оптоэлектронном рынке отсутствуют СЛД-модули ближнего ИК-диапазона спектра (800 - 900 нм) с выходной мощностью более 50мВт (20 - 30 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 (СаА1)Аз с активным слоем из нелегированного СэАб, типа 11 и 111 - на основе двух КРС в системе (! п О а) Аь/(С а А1) А5/С а А 8 с концентрацией индия в активном слое 0,04 и 0,17 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 Ш.

При всех величинах плотности тока накачки вплоть до 2,5 кА/см2 (предел для использованного драйвера)

преобладали переходы из основного энергетического

состояния, и, следовательно, спектр имел колоколообразную форму (рис. 13).

Образцы типов I и III были подвергнуты термоэлектротренировке в режиме непрерывной мощности при токе накачки 950 мА и температуре 25"С. 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 П1. 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.

Рис. 13. Спектры исследованных СЛД при токе накачки 950 мА.

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 (ОаА1)АзЛЗаАз 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 (АЮа)А5/СгаА8 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 инжекцни, 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 (СаА1)Аз ОКРС и ДКРС с пространственно неоднородной инжекцией. Экспериментально показано, что использование двухсекционной конструкции СЛД на основе КРС дает изготовителям широкополосных светонзлучающих 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 (1пОа)Аз/ОаАз 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 (ОаА1)Аз ОКРС с алюмосодержащим активным слоем. При различных длинах активного канала эти СЛД обеспечивают непрерывную выходную мощность 3-55 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 5Ю-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 им и шириной спектра более 100 им (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 двухканапьного 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 17 мкм) и величиной спектральных неоднородностей не более 20%.

4 Исследованы три типа многомодовых СЛД с длинами волны 840, 890 и 950 нм. 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 дайной 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 "Optical Coherence Tomography", Springer (2008)

[2] Chen R, Duker J, Srinivasan V, Fujimoto J. "Speed and Resolution Improve in Newest ОСТ." Review of Ophthalmology, 84, July (2007).

[3] Андреева E.B., Шраменко M.B., Якубович С.Д., "Влияние оптической обратной связи на выходные характеристики квантоворазмерных суперлюмикесцентных диодов." 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., "Суперлюминесцентные диоды на основе однослойных квантоворазмерных (GaAl)As-reTepocTpyiayp" Квантовая Электроника, 23, №2, 113-118(1996)

[5] Лобинцов А.А., Успенский М.Б., Шишкин В.А., Шраменко М.В., Якубович С.Д. "Высокоэффективный полупроводниковый оптический усилитель спектрального диапазона 820 - 860 нм." Квантовая электроника, 40(4), 305 (2010)

[6] "Reliability assurance for optoelectronic devices" Telcordia Generic Requirements GR-468-CORE, Issue 2 (2004)

[7] Адлер Д.С., Ko T.X., Конорев A.K., Мамедов Д.С., Прохоров B.B., Фуджимото Дж.Дж., Якубович С.Д., "Широкополосный источник излучения на основе квантоворазмерных суперлюминесцентных диодов для оптической когерентной томографии высокого разрешения" 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 Ж диапазона спектра на основе двуслойных квантоворазмерных гетероструктур.», Квантовая электроника, 38(8), стр. 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), стр. 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 — 800 нм», Квантовая электроника, 41(8), стр. 677-680, (2011)

Другие статьи и лштериалы конференций:

5. Yu.O. Kostin, E.V.Andreeva, P.Lapin, A.Lobintsov, V.Shidlovski, M.Shramenko, S.Yakubovich "Strained QW InGaAs/GaAlAs/GaAs SLDs and SOAs for HR OCT at 840 and 1060 nm Bands" in Biomedical Optics (BIOMED), StPetersburg, Florida Conf. Prog. BMD80 (2008)

6. Yu. Kostin, P.Lapin, V.Shidlovski, S.Yakubovich. "Towards lOOnm wide SLDs at 840nm band." 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 "Towards 1.0W reliable SLD at 840 nm." 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. "Towards 1.0W reliable SLD at 840 nm." Proc. of SPIE, 7139, p.713904-1 -7 (2008)

9. Yu. Kostin, P.Lapin, V.Shidlovski, S.Yakubovich. "Towards lOOnm wide SLDs at 840nm band." 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 "High Power Broadband SLD Heterostructures with Spectral Maximum in the Range 840-860 mn Grown by LP MOCVD" 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 "Двухсекционные широкополосные суперлюминесцентные диоды", 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 "Мощные и широкополосные СЛД высокой надежности со спектральным максимумом в полосе 840-860 нм", 7th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" 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 "Improved SLDs and SOAs for high resolution optical coherence tomography.", 7th Belarusian-Russian Workshop "Semiconductor Lasers and Systems" Minsk, Book of Papers, p. 108-110 (2009)

14. Yu.O. Kostin, A.A. Lobintsov, S.D.Yakubovich "Novel SOA with tapered active channel", Proc. of 5th Int. Conf. on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2010), p. 175-176, Sevastopol (2010)

15. Yu.O. Kostin, A.A. Lobintsov, S.D.Yakubovich "Novel High-power SLDs with wide active channels", Proc. of 10th Int. Conf. On Laser & Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2010), p.10-12, Sevastopol (2010)

16. Yu.O. Kostin, A.A. Padalitsa, M.A. Ladugin, A.A. Marmalyuk, A.A. Lobintsov, S.D. Yakubovich "Broadband SLD heterostructures with spectral maximum in the range 750-800 nm grown by LP MOCVD", 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 "Broad-band SLDs emitting at 750-800 nm" 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 "Changes in output characteristics of broad-band SLDs in the process of long-term operation" 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 60x90/16. Объём 1,5 п.л. Тираж 50 экз. Заказ № 10041215

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912\772801001 Адрес: 105066, г. Москва, Лефортовский пер., дом 8, корпус 2. Тел. 728-97-17, +7(499)261-78-22. http://www.onlinecopy.ru

61 12-5/2433

ФГУП НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха

На правах рукописи

Костин Юрий Олегович

Широкополосные суперлюминесцентные диоды для оптической

когерентной томографии.

05.27.03 - Квантовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор

Якубович Сергей Дмитриевич

МОСКВА 2012 г.

Содержание.

Содержание.Сокращения и условные обозначения...................................................................2

Сокращения и условные обозначения.........................................................................................3

Обозначения переменных.............................................................................................................5

Введение. Оптическая когерентная томография и используемые в ней источники света.....7

Принцип оптической когерентной томографии (ОКТ).........................................................9

Основные параметры используемых в ОКТ источников света..........................................12

Источники света для ОКТ сверхвысокого разрешения.......................................................15

Суперлюминесцентные диоды (СЛД) для ОКТ...................................................................17

Основные принципы работы СЛД.........................................................................................1В

Типичные параметры современных СЛД.............................................................................26

Мощные и широкополосные источники света на базе СЛД...............................................29

Вопросы надежности лазерных и суперлюминесцентных диодов.....................................31

Описание работы.........................................................................................................................36

Глава I. Новые широкополосные суперлюминесцентные диоды...........................................44

Введение...................................................................................................................................44

1.1 СЛД диапазона 790-870 нм с повышенной широкополосностью и мощностью на основе однослойной квантоворазмерной гетероструктуры в системе (ОаА1)Аз/ОаА8....47

1.2 СЛД на основе двухслойных квантоворазмерных гетероструктур..............................51

1.3 Двухсекционные широкополосные су пер люминесцентные диоды.............................58

1.4 СЛД спектрального диапазона 820-900 нм на основе однослойных квантоворазмерных гетероструктур в системе (1пОа)А8/ОаАз..........................................71

1.5 СЛД спектрального диапазона 750-800 нм на основе однослойной квантоворазмерной (ОаА1)Аз гетероструктуры с алюмосодержащим активным слоем .76

Глава II. Исследование надежности широкополосных СЛД..................................................84

2.1 Особенности изменения выходных характеристик СЛД на основе

квантоворазмерных структур в ходе продолжительной работы........................................84

2.2. Методика ресурсных испытаний активных элементов СЛД-модулей........................88

2.3 Критерии отказа и результаты ресурсных испытаний...................................................97

Заключение.............................................................................................................................102

Глава III. Новые комбинированные источники сверхширокополосного излучения на

основе разработанных СЛД......................................................................................................104

Введение.................................................................................................................................104

ВгоасИ^ег 0-810................................................................................................................106

ВгоасИ^Ыег ВАЗОО..................,...........................................................................................И1

Приложение. СЛД повышенной мощности............................................................................116

Введение.................................................................................................................................116

Образцы..................................................................................................................................117

Заключение.............................................................................................................................121

Заключение.................................................................................................................................122

Благодарности............................................................................................................................124

Литература.................................................................................................................................125

Сокращения и условные обозначения

АКМ - автоматический контроль мощности

АКТ - автоматический контроль тока

АКФ - автокорреляционная функция

ГЭС - гетероэпитаксиальная структура

ДКРС - двуслойная квантоворазмерная структура

ИК - инфракрасный

КОД - катастрофическая оптическая деградация КРС - квантоворазмерная структура ЛД - лазерный диод

МВС - многомодовый волоконный световод МКРС - многослойная квантоворазмерная структура

МОС-гидридная эпитаксия - осаждение металло-органических соединений

из газообразной фазы.

МРТ - магнитная резонансная томография

ОВС - одномодовый волоконный световод

ОГЭС - обработанная гетероэпитаксиальная структура

ОКМ - оптическая когерентная микроскопия

ОКРС - однослойная квантоворазмерная структура

ОКТ - оптическая когерентная томография

СЛД - суперлюминесцентный диод

СЛД-33 - серия широкополосных суперлюминесцентных диодов диапазона 780 нм

СЛД-37 - серия широкополосных суперлюминесцентных диодов диапазона 840 нм

BroadLighter - серия комбинированных источников света на основе СЛД CCD камера (charge-coupled device - прибор с зарядовой связью) - камера на основе матрицы с зарядовой связью en face - с лицевой стороны

full field ОКТ - полномасштабная ОКТ- технология, позволяющая получать en face изображения объекта за одно сканирование.

FWHM (full width at half maximum) - ширина кривой на половине высоты in vivo - на живом организме, объекте in situ - на прежнем месте

МО CVD (Metal-organic chemical vapour deposition) - МОС-гидридная эпитаксия

MTTF - median time to failure - средняя наработка до отказа PILOT - серия электронных драйверов для СЛД-модулей WDM/DWDM (Wavelength Division Multiplexing/ Dense Wavelength Division Multiplexing) - спектральное уплотнение.

Обозначения переменных.

Ъ - конфокальный параметр с - скорость света

d - размер пятна пучка на линзе объектива ;

da - толщина активного слоя

Еа - энергия активации

/- фокусное расстояние

g - погонное оптическое усиление

G - интегральное усиление

h - постоянная Планка

1о - ток накачки СЛД, при котором интенсивности пиков спектра равны

/;, 12 - токи накачки первой и второй секций двухсекционного СЛД,

соответственно

Isld ~ ток накачки СЛД

j - плотность тока накачки

к - постоянная Больцмана

La - длина активного канала

Lc - длина когерентности

MTTF - median time to failure - срок службы прибора N- плотность носителей No - порог прозрачности Р - оптическая мощность

Р+(0) - мощность излучения на передней грани активного канала P~(L) - мощность излучения на задней грани активного канала PFS - оптическая мощность излучения в открытое пространство Psm~ мощность излучения из ОВС

R - сопротивление резистора между контактами секций двухсекционного СЛД

Rback ~ коэффициент отражения от входной грани диода

Rout - коэффициент отражения от выходной грани диода гхх(т)- автокорреляционная функция rip - глубина модуляции спектра, риппл

Sf - плотность фотонов, распространяющихся в активном канале в прямом направлении

ST- плотность фотонов, распространяющихся в активном канале в обратном направлении

Sxx(f) - спектральная плотность функции/ t - время, продолжительность теста Т], Т2 - рабочие температуры прибора

U0 - напряжение на СЛД, при котором интенсивности пиков спектра равны zR - релеевская длина

а - нерезонансные оптические потери

¡3 - доля спонтанного излучения, введенного в основную моду

Г- фактор оптического ограничения

SS - разница интенсивности пиков спектра СЛД

AS - глубина спектрального провала

Ах - величина пространственного разрешения

Az - ширина на полувысоте автокорреляционной функции

ДЯ - ширина на половине высоты спектра излучения

X - центральная длина волны спектра

Хт - медианная длина волны

v - частота излучения

Л - размер моды

т - срок службы, определяемый по совокупности критериев изменения мощности и спектра

тр - срок службы, определяемый по критерию изменения мощности Ts — срок службы, определяемый по критерию изменения спектра zsp - спонтанное время жизни

Введение. Оптическая когерентная томография и используемые в ней источники света.

Новые медицинские технологии формирования изображений способствуют прогрессу диагностики и клинических методов ведения болезни. Более того, они могут внести вклад в лучшее понимание развития болезни, и таким образом дать импульс к развитию новых методов терапии. Таким образом, эти новые технологии играют важную роль в развитии медицинских исследовательских и клинических методов.

Минимально разрушающие методы сканирования, такие как рентгеновская компьютерная томография, магниторезонансная томография (МРТ), функциональная МРТ, диффузная оптическая томография, совершили революцию в диагностической медицине в последние десятилетия. Эти методы позволяют получать трехмерные изображения; однако, их пространственное разрешение как правило ограничено несколькими миллиметрами - в стандартных клинических установках.

Оптические методы воспроизведения изображений, такие как традиционная микроскопия, а также конфокальная, флуоресцентная и многофотонная микроскопия, дают высокое (<1мкм) разрешение, но обладают слишком малой глубиной проникновения в биологические ткани. Эксцизионная биопсия и гистопатология остаются таким образом образцовыми методами диагностики раковых заболеваний. Однако информацию в этих методах нельзя получать в реальном времени. Кроме того, диагностика на основе биопсии характеризуется неприемлемым процентом ложноотрицательных результатов из-за ошибок выборочного обследования.

Метод получения изображений, сочетающий неразрушающее получение 3-мерных изображений в реальном времени с разрешением клеточного масштаба и обладающий большой глубиной проникновения в образец, мог бы существенно улучшить раннюю медицинскую диагностику,

а также внести вклад в лучшее понимание развития заболеваний и улучшить наблюдение за лечением. Оптическая когерентная томография (ОКТ) - это новый неразрушающий метод получения изображений для медицинской диагностики, который включает в себя in vivo томографическую визуализацию сечений внутренних микроструктур биологический систем. С момента ее изобретения в конце 80-х годов прошлого века исследования в области ОКТ были направлены на то, чтобы создать неразрушающую оптическую биопсию, т.е. методику получения изображений микроструктур тканей в реальном времени in situ с разрешением близким к таковому в гистологии, но без необходимости иссечения ткани и последующей обработки информации. Для достижения этой цели последние исследования в ОКТ достигли существенных улучшений в разрешении, скорости обработки информации, оптимизации проникновения в ткань, а также улучшении контраста. Разработка современных систем доставки облегчила применение ОКТ во многих медицинских областях, включая изображение внутренних органов тела. Более того, были разработаны расширения ОКТ, включающие неразрушающее функциональное формирование изображений с разделением по глубине и обеспечивающие спектроскопическую, поляризационно-чувствительную или физиологическую информацию о ткани. Эти новые технологии ОКТ обещают не только улучшение контраста изображения, но также должны позволить дифференциацию развития патологий с помощью анализа локальных метаболических свойств или функционального (физиологического) состояния.

В технологии ОКТ произошло множество улучшений, и к ней был проявлен значительный интерес в области офтальмологии, гастроэнтерологии и кардиологии. Об этом объективно свидетельствует впечатляющий рост публикаций (90 в 1998 г., 900 - в 2006 г., а всего около 5000), патентов (9 в 1998, более 90 в 2006) и компаний работающих в области ОКТ (от ~3 в 98, до более 20 в 2006). Стоит отметить, что около половины всех публикаций изданы в офтальмологических журналах, что говорит о

значительном влиянии ОКТ в этой области; и еще 25% - в журналах по оптике, что отражает многочисленные технические улучшения [1]. Вклад ОКТ в клиническую практику, особенно в офтальмологии, наглядно показывает тот факт, что во всем мире около 10 компаний используют эту технологию при изготовлении серийных приборов для офтальмологической диагностики.

Принцип оптической когерентной томографии.

ОКТ основывается на низкокогерентной интерферометрии. В традиционной лазерной интерферометрии длина когерентности используемого излучения обычно составляет сантиметры или метры. В ОКТ, благодаря использованию широкополосных источников света, эта величина составляет десятки или единицы микрометров.

Пучок света в ОКТ делится на два: сканирующий, который взаимодействует с исследуемым объектом, и опорный. Взаимодействие пучка света, отраженного от объекта, с опорным пучком даёт интерференционную картину - в случае, если оптическая разность хода этих пучков не превышает длины когерентности. Изменяя положение опорного зеркала, получают распределение коэффициента отражения в исследуемом объекте (ОКТ с разрешением по времени). Участкам исследуемого объекта с большим коэффициентом отражения будет соответствовать более интенсивная интерференция. Однако, при превышении разницей оптического пути пучков длины когерентности, интерференции не будет совсем. Полученное таким образом распределение (так называемый А-скан) содержит информацию о расположении и поперечных размерах структур в исследуемом объекте. Сечение (В-скан) объекта вычисляется по результатам серии А-сканов. В некоторых методах возможно также получить en face изображение (С-скан) на требуемой глубине.

На рисунке В-1 представлено схематическое изображение традиционной ОКТ установки. Интерференция достигается при попадании

объектного пучка на участок с высоким коэффициентом отражения и разнице оптической длины хода опорного и объектного пучков в пределах длины когерентности.

продольное сканирование (2)

поперечное сканирование (X или У)

Рис. В.1. Схема установки классической OKT. Здесь 1 - низкокогерентный источник света, 2 - коллиматор, 3 - делитель пучка, 4 - опорное зеркало, 5 -сканирующее зеркало, 6 - объектив, 7 - образец, 8 - собирающая линза, 9 -фотодетектор, 10 - фильтр, 11 - блок обработки, 12 - аналого-цифровой преобразователь, 13 - вывод данных.

Подобный дизайн был использован в ОКТ с применением микроскопов с низкой числовой апертурой для получения изображения экспериментальных биологических образцов in vivo, а также для применения в хирургии [2, 3, 4]. Получаемые изображения сетчатки могут обрабатываться компьютером, таким образом могут быть получены изображения различных участков сетчатки для диагностики специфических заболеваний.

Фурье-ОКТ отличается использованием дифрагирующего элемента и линейки фото детекторов (см. рис. В-2). Теорема Винера-Хинчина (В-1) позволяет рассчитать скан по глубине Фурье-преобразованием полученного спектра, не используя в установке подвижных частей.

SM)= jrxx(T)e-2*iTdT,

(B.l)

где гхх(т) - автокорреляционная функция, спектральная плотность

функции

Таким образом, информацию полного скана по глубине можно получить единовременно. Однако, соотношение сигнал-шум здесь хуже из-за меньшего динамического диапазона линейки детекторов по сравнению с одиночным детектором.

Рис. В.2. Схема Фурье - OKT. Здесь 1 - низкокогерентный источник света, 2 - делитель мощности, 3 - опорное зеркало, 4 - образец, 5 - дифракционная решетка, 6 - камера (работает как спектрометр), 7 - блок обработки, 8 -вывод данных.

Другой распространенный подход в ОКТ связан с использованием т.н. свипирующих источников - источников света, длина волны которых меняется по заданному закону. Это позволяет значительно упростить расчеты и достичь хорошего соотношения сигнал/шум, однако на высоких скоростях перестройки ведет к появлению нелинейности зависимости длины волны от времени. Схема такой установки представлена на рисунке В-3.

А

л

©

©1—о

Рис. В.З. ОКТ с использованием свипирующего источника света. Здесь 1 -свипирующий источник света, 2 - делитель мощности, 3 - опорное зеркало, 4 - образец, 5 - фотодетектор, 6 - блок обработки, 7 - вывод данных.

Основные параметры используемых в ОКТ источников света.

Разрешение - один из самых важных факторов, определяющих качество изображения. Поэтому развитие методов улучшения разрешения является важнейшей темой исследований. В отличие от стандартной микроскопии в ОКТ можно достичь хорошего аксиального разрешения независимо от фокусировки пучка и размера пятна. Аксиальное разрешение изображения в ОКТ определяется разрешением измерения времени задержки отраженного света. В низкокогерентной интерферометрии аксиальное разрешение определяется шириной автокорреляционной функции, которая обратно пропорциональна ширине спектра источника света. В случае гауссовской формы спектра аксиальное разрешение дается формулой:

где Дг - ширина на полувысоте автокорреляционной функции, АХ - ширина на половине высоты спектра излучения, а X - центральная длина волны спектра. [5]

Аг =-;--,

ж А Л

21п2 Л2

(В.2)

Поскольку аксиальное разрешение обратно пропорционально ширине спектра источника света, то широкополосные источники света необходимы для достижения высокого аксиального разрешения. Поперечное разрешение в ОКТ �