2010,半导体所,超辐射发光二极管的应用

引言
超辐射发光二极管（superluminescent diode 简称 SLD，或 superluminescent light emitting diodes 简称 SLED），是一种宽光谱、弱时间相干性、大功率、高 效率的半导体光发射器件[1]，其光学性质介于半导体 激光器（Laser Diode 简称 LD）和半导体发光二极管 （Light-Emitting Diode 简称 LED)之间，具有比 LD 更 宽的发光光谱和更短的相干长度，具有比 LED 更高 的输出功率，集宽光谱和大功率的优点于一身，具有 广泛的应用。
衡量 IFOG 的主要性能指标有噪声、漂移和标度 因数等。光纤陀螺仪的噪声通常包括光源相对强度噪
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声、菲涅尔背向反射噪声、瑞利背向散射噪声、探测 器散粒噪声和偏振噪声等。噪声的总体水平决定了光 纤陀螺仪的灵敏度。漂移，又称为零偏稳定性，是指 当输入角速度为零时，光纤陀螺仪输出量围绕其均值 的离散程度[20]。标度因数则为陀螺仪输出量和输入角 速率的比值，标度因数稳定性指标是标度因数非线性 度、不对称性和重复性三项误差的平方和的根[21]。低 噪声、低漂移和精确的标度因数对导航应用、快速响 应和控制十分重要。
IFOG 是基于萨格奈克（Sagnac）效应[18]的，其 基本原理可参见有关文献[1] 。现代 IFOG 采用光纤光 学元件和集成光学芯片代替了环形干涉仪的分立光 学元件，主要由宽带光源（比如 SLD）、光纤耦合器、 光纤线圈、探测器和集成光学芯片组成。现代 IFOG 采用了互易性设计[19]，能消除光纤线圈静止时的光程 差和温度漂移等非互易性误差。
1 SLD 在干涉式光纤陀螺仪中的应用
干涉式光纤陀螺仪（IFOG）是 1976 年以后发展 起来的一种全新的全固态惯性测量设备，是具有跨时 代特征的新型主流惯性仪表，在航空航天、航海和国 防工业中得到广泛应用。早期的 IFOG 所使用的光源 包括 He-Ne 激光器[15]和半导体激光器[16]。然而，激 光器的相干长度较长，不利于背向散射误差的抑制， 导致 IFOG 的精度不易提高。Burns 等在 1983 年指出， 当光源的光谱宽度大于 15 nm 时可显著减小 IFOG 的 背向散射[17]。低成本的 SLD 的光谱宽度达到几十纳 米，可有效减小背向散射，这引起了人们的关注。随 着外延生长技术和器件制备工艺的发展，SLD 逐渐成 为了 IFOG 的标准光源，得到了广泛的应用。
自从 1971 年 Kurbatov 等[2]研制出 GaAs 同质结 SLD 以来，SLD 器件及其应用的研究得到很大发展。 目 前 ， 在 SLD 有 源 区 结 构 方 面 ， 主 要 有 量 子 阱 （quantum well 简称 QW）和量子点（quantum dot 简 称 QD）两种。目前，量子阱 SLD 的光谱宽度可达百 纳米[3]，输出功率达到上百毫瓦[4]（以上两参数非同
SLD 宽光谱和大功率的独特优势使其在低相干 测量系统中被广泛应用，主要包括干涉式光纤陀螺仪 （Interferometric Fiber-Optic Gyroscope 简称 IFOG）、光 学相干层析技术（Optical Coherent Tomography 简称 OCT）、低相干光时域反射仪（Low-coherence Optical Time Domain Reflectometer 简 称 Low-coherence OTDR）等。另外，SLD 的宽光谱和大功率特性还可 应用于波分复用（Wavelength Division Multiplexing 简 称 WDM）、可调谐外腔激光器（Tunable External -Cavity laser）等。下面将介绍 SLD 的主要应用，并 详细分析 SLD 在各种应用中的优点，指明了这些应 用对其工作参数的要求。
其次，IFOG 对 SLD 光谱纹波也有要求。小纹波 的 SLD 是较为的理想 IFOG 光源。若纹波较大，SLD 的相干函数会产生可观的二次相干峰，产生误差。若 要求 IFOG 的误差小于 1°/h，寄生干涉为 104 个，纹 波要小于－25.8 dB 方可满足要求[24]。
第三，IFOG 的应用并不要求 SLD 的发光波段与 光纤的透明窗口严格吻合。发光波长对应石英光纤四 个不同窗口的 SLD 对理论灵敏度的影响不大，应从 经济性和实用性的角度考虑，选择合适波长的 SLD。
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第 32 卷 第 5 期 2010 年 5 月
红外技术 Infrared Technology
Vol.32 No.5 May 2010
司均有产品出售。在光谱波段方面，这些产品覆盖了光 纤的 4 个窗口（850 nm、1060 nm、1310 nm 和 1550 nm）， 在光谱宽度和输出功率方面，这些产品单管输出光谱 宽度达 100 nm[13]，输出功率可达 100 mW[13]（以上两参 数非同一器件）。多管模块输出光谱宽度可达 300 nm， 对应的输出功率达 4 mW[14]。在输出形式上，不仅有 自由空间输出，还有单模光纤输出、保偏光纤输出方 式。为了获得稳定的输出波长和发射功率，商用 SLD 可集成半导体制冷器和温控装置，可满足高精度应用 的需求。
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超辐射发光二极管的应用
王佐才，吕雪芹，金 鹏，王占国
（中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室，北京 100083）
摘要：超辐射发光二极管（superluminescent diode 简称 SLD）具有光谱宽、功率大等优点。作为一种 特殊光源，SLD 已经被广泛应用。简要介绍了 SLD 的主要特征、主要表征参数和发展现状，详细阐 述了 SLD 在干涉式光纤陀螺仪、光学相干断层成像技术、波分复用技术、光时域反射仪、可调谐外 腔激光器、光纤传感器和光纤测试等领域中的应用。 关键词：超辐射发光管；干涉式光纤陀螺仪；光学相干断层成像技术；波分复用；光时域反射仪；可 调谐外腔激光器 中图分类号：TN383.1；TN929.11；R445；TN253 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2010)05-0297-07
采用 SLD 作为 IFOG 的光源，利于抑制或消除菲 涅尔背向反射噪声、瑞利背向散射噪声、克尔效应和 双折射效应带来的噪声和漂移，提升 IFOG 的精度[22]。 Burns 等人的研究表明，采用宽带光源（比如 SLD） 可以减少产生寄生误差的背向散射光占全部背向散 射光的比例[17]。采了中心波长 840 nm、谱宽 14.7 nm 的 SLD 可使这一比例小于 10－4，比采用半导体激光 器时的数值小了 3～4 个数量级。采用 SLD 后，背向 散射噪声已淹没在探测器的噪声中观察不到。Bergh 等人则采用统计光学对克尔效应进行分析[23]，表明采 用部分偏振的 SLD 可以消除克尔效应引起的旋转速 率误差。
Abstract：Superluminescent diodes (SLDs) have advantages of large spectrum width and high output power. They are widely used as a kind of special light sources. Typical characteristics and parameters of SLDs, as well as detailed applications in interferometric fiber-optic gyroscope (IFOG), optical coherent tomography (OCT), wavelength division multiplexing (WDM), optical time domain reflectometer (OTDR), tunable external-cavity laser diode, fiber sensor and fiber testing, are reviewed. Key words：superluminescent diode，fiber-optic gyroscope，optical coherent tomography，wavelength division multiplexing，optical time domain reflectometer，tunable external-cavity laser
第四，为了在高速旋转的情况下，保持光纤陀螺 仪的高精度和高敏感性，需要高输出功率的 SLD，单 模光纤耦合输出功率为 5～10 mW 较为理想，功率越 高越好。SLD 的典型的功率波动率小于 2%[25]，功率
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王佐才等：超辐射发光二极管的应用
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Applications of Superluminescent Diodes
WANG Zuo-cai，LV Xue-qin，JIN Peng，WANG Zhan-guo
(Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China)
波动也会对标度因数产生影响，在应用ห้องสมุดไป่ตู้，可采用反 馈控制解决功率波动问题。
一器件）。1999 年，本实验室孙中哲等提出了量子点 SLD 的概念[5]。以 Stranski-Krastanow（S-K）模式生 长的自组织量子点材料存在着本征尺寸非均匀性，该 特性可有效展宽材料的增益谱。实践证明，采用自组 织量子点为有源区制备 SLD，可有效缓解 SLD 研制 中大功率与宽光谱相互制约的问题，研制出光谱宽度 大、输出功率大的 SLD 器件[6]。目前，量子点 SLD 的输出功率可达 200 mW[7]，光谱宽度可达 150 nm 以 上[8]（以上两参数非同一器件）。另外，器件工艺也是 决定 SLD 性能的一个重要方面。抑制激射一直以来 都是 SLD 研制中的关键内容，采用倾斜条型波导[9]、 倾斜腔面[10,11]、吸收区结构以及在 SLD 的腔面蒸镀增 透膜[4]均可有效地抑制激射。采用弯曲波导[12]、锥形 波导[7]等结构，除可有效抑制激射外，又可获得较理 想的输出功率。
目前商用 SLD 已很成熟，Superlum Diodes Ltd、 Exalos Ltd、Denselight、Covega 和 Hamamatsu 等多个公
收稿日期：2010-03-05。 作者简介：王佐才（1985-），江苏镇江人，硕士研究生，主要研究方向为自组织量子点材料及量子点超辐射发光管。Email: pkufish@semi.ac.cn。 基金项目：国家重点基础研究发展计划（编号：2006CB604904）；国家自然科学基金项目（编号 60976057，60876086，60776037）。
IFOG 对 SLD 的光谱形状、光谱宽度、中心波长、 输出功率、温度稳定性等各方面都有一定的要求。
首先，SLD 的光谱自相关长度应小于 50 µm，这是 为了较好地抑制菲涅尔背向反射和瑞利背向散射效应。 对于 850 nm 波段的 SLD，光谱宽度应大于 15 nm[17]， 对于 1310 nm 和 1550 nm 波段的 SLD，光谱宽度应分 别大于 34 nm 和 48 nm。研究表明，作为 IFOG 的光 源，SLD 的理想谱型是高斯形式[24]。近高斯谱型光源 产生的偏振模式耦合误差比平坦光谱的要小，矩形、 三角形和抛物线形的光谱容易形成寄生干涉，从而降 低陀螺仪精度。