SLD原理分析及研究

【摘 要】超輻射發(fā)光二極管（SLD）作為一種非相干性寬帶光源，其性能介于激光器和發(fā)光二極管之間，具有寬的光譜以及較大光輸出功率特性，成為光纖陀螺儀（FOG） 和光纖傳感器的理想光源， 同時(shí)也成為了光時(shí)域反射儀（OTDR） 以及部分光通信設(shè)備的主要光源之一，在光纖傳感器、相干光照相系統(tǒng)、光纖通訊系統(tǒng)、臨床醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等許多方面具有廣泛的用途。介紹了超輻射發(fā)光二極管（SLD）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工作原理，相關(guān)在發(fā)展中的應(yīng)用與問題，以及SLD內(nèi)部磁場(chǎng)分析和仿真設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】超輻射發(fā)光二極管（SLD）；光輸出功率；光纖陀羅儀（FOG）；SLD內(nèi)部磁場(chǎng)

0.引言

自1971年首個(gè)半導(dǎo)體SLD被制作出來后，至今短短四十年，超輻射發(fā)光二極管的研究與運(yùn)用領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展，并取得巨大的成就。由于超輻射發(fā)光二極管具有極其廣泛的運(yùn)用，也就注定了它是一個(gè)熱門的領(lǐng)域。各個(gè)領(lǐng)域相輔相成，其他領(lǐng)域發(fā)展的同時(shí)，對(duì)于超輻射發(fā)光二極管的性能要求也來越高。對(duì)于所使用的SLD光源具有寬的光譜和高輸出率的特性，這是超輻射發(fā)光二極管的優(yōu)勢(shì)所在，同時(shí)讓其所在的系統(tǒng)具有高靈敏度，低相干性，高穩(wěn)定性以及低噪聲等也是人們所研究和改進(jìn)超輻射發(fā)光二極管的目標(biāo)和方向。此外，SLD作為一種優(yōu)良性能的發(fā)光二極管，其內(nèi)部磁場(chǎng)也是研究的一個(gè)方向。

當(dāng)今有關(guān)SLD技術(shù)的許多方面運(yùn)用已很純熟。其一：SLD在光纖陀螺儀中起到很大的作用。光纖陀螺儀（IFOG）是一種全固態(tài)慣性測(cè)量器，在電子工業(yè)，重工業(yè)等領(lǐng)域中有廣泛作用。超輻射發(fā)光二極管光譜寬度，輸出功率，溫度穩(wěn)定性等性能滿足光纖陀螺儀的要求，成為其首選光源器件。其二：在光學(xué)相關(guān)層析技術(shù)（OCT）中，超輻射發(fā)光二極管也是其理想光源之一。OTC是一種新興的無損傷診斷技術(shù)，其高精度分辨率決定了它要求光纖長(zhǎng)度較短，SLD成為它的理想選擇。其三：SLD在低相干光時(shí)域反射儀（OTDR）中的運(yùn)用。OTDC的重要指標(biāo)包括分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，而SLD的相關(guān)長(zhǎng)度短，高輸出功率成為其選擇目標(biāo)。其四：SLD能用于波分復(fù)用技術(shù)中也是因?yàn)槠涓咻敵龉β?，寬光譜的特點(diǎn)，且能與光纖傳輸技術(shù)兼容并用于其中[1]。SLD因?yàn)槠鋬?yōu)良的性能，廣泛運(yùn)用于光學(xué)，電子工業(yè)，航空航天，軍工，醫(yī)學(xué)等方面，隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)于SLD會(huì)有更深層次的研究和長(zhǎng)足發(fā)展。

目前所能生產(chǎn)SLD光源元件主要由發(fā)光管管芯、熱敏電阻器和半導(dǎo)體制冷器組成[2]。在光源驅(qū)動(dòng)電路中，主要通過控制發(fā)光管管芯和驅(qū)動(dòng)電流來控制SLD光源件，使其達(dá)到溫度和電流相互控制形成的自動(dòng)控制功能。其中SLD光源件的控制方法有廣泛使用的模擬控制法和數(shù)字化控制法。

常用的SLD光源元件采用標(biāo)準(zhǔn)14腳雙列直插或8腳蝶型帶尾纖的耦合封裝[3]。它是一種內(nèi)部單程增益光發(fā)射器件，其性能指標(biāo)主要由輸出功率決定，并且摻雜光譜寬度性能。正向電流注人后 有源層內(nèi)反轉(zhuǎn)分布的電子從導(dǎo)帶躍遷到導(dǎo)價(jià)帶或雜質(zhì)能級(jí)時(shí)， 與空穴復(fù)合而釋放出光子，這種自發(fā)輻射的光子在給定腔體中傳播時(shí)受增益作用而得到放大[4]。傳統(tǒng)的激光半導(dǎo)體中，腔體兩端面的反射作用形成諧振，當(dāng)注入電流高于闕值后，端面輸出增大而形成激光。而在SLD半導(dǎo)體光源器件中，經(jīng)過改善和加工，其后端反射形成的諧波不足以形成激光，輸出的是非相干光。但是由于光在途中受到增益作用，使得SLD器件的調(diào)制帶寬增大。

而在SLD光源器件接入電源工作后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量，使光源溫度升高，影響光源器件的輸出功率。如果輸入電流不變，那么隨著溫度的升高，其輸出功率就會(huì)降低，造成輸出功率的不穩(wěn)定，這一問題影響了SLD光源器件的性能。同理，如果保持SLD內(nèi)部器件的溫度不升高，那么電流增大就能使SLD光源器件的輸出功率增大，但是不可能無限增大電流，因?yàn)楝F(xiàn)有的技術(shù)以及對(duì)其外觀大小的要求決定了只能通過協(xié)調(diào)溫度和電流之間保持達(dá)到合理的最大輸出功率。而這樣的要求就要經(jīng)過SLD光源器件的電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)來完成。SLD驅(qū)動(dòng)控制多采用制冷器控制，或者恒流控制。SLD光源器件內(nèi)部雖然發(fā)光管管芯是主要的工作器件，但里面的熱敏電阻器和制冷器也是必不可少的，三者缺一不可?；谶\(yùn)用需求，穩(wěn)定的輸出功率的光源器件要通過完善的電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)控制電流放和制冷器來使得電流和溫度協(xié)調(diào)達(dá)到可行性的最大化輸出功率。同時(shí)，這也使得SLD光源元件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)具有多樣化，其中最廣泛的方法大致為模擬控制法，而有部分采用的是數(shù)字化控制法，多樣的設(shè)計(jì)方式展現(xiàn)出SLD寬廣的拓展范圍和發(fā)展空間。

超輻射發(fā)光二極管的廣泛運(yùn)用，促成了這一領(lǐng)域的飛速發(fā)展。首先，追求寬光譜，大功率的SLD是其主要目標(biāo)。但是注入電流的增大會(huì)使得光譜寬度變窄，經(jīng)過人們的研究，可以通過以下幾種方式解決：第一種為有源區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)。SLD有源區(qū)結(jié)構(gòu)分為量子阱（QW）和量子點(diǎn)（QD）兩種；第二，抑制SLD受激振蕩；第三：利用橫向結(jié)取代垂直結(jié)；第四：改進(jìn)散熱方式。另外，可以改良SLD使其具有抗輻射性，在一些領(lǐng)域運(yùn)用里能取到很好的效果[5]。

寬光譜，大功率輸出特性的超輻射發(fā)光二極管（SLD）將會(huì)是一個(gè)不斷深入的研究領(lǐng)域，而研制出更大輸出功率，高靈敏度，低相干性，高穩(wěn)定性的超輻射發(fā)光二極管也是人們的必然要求。但是由于溫度制約著輸出功率，就要求人們必須設(shè)計(jì)出更為完善的電路驅(qū)動(dòng)方案，或者發(fā)掘新型的材料來不斷提高超輻射發(fā)光二極管的性能。相信，隨著超輻射發(fā)光二極管以及各方面的科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展，今后的SLD光源將會(huì)得到更大的用處，并且衍生出新的領(lǐng)域。

1.SLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)規(guī)律

通入電流后，SLD組件開始工作，也開始產(chǎn)生磁場(chǎng)。而產(chǎn)生的磁場(chǎng)有可能對(duì)其內(nèi)部組件工作性能產(chǎn)生影響。藉此，就SLD組件而言，可以先簡(jiǎn)化加以研究，一個(gè)矩形金屬小盒，外加兩塊極板，通入電流的磁場(chǎng)接近于SLD內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)。對(duì)于這樣規(guī)律，則利用maxxwall軟件先進(jìn)行SLD建模，然后仿真出其磁場(chǎng)規(guī)律。借助于軟件，可以有效，直白的分析其磁場(chǎng)規(guī)律和效用。這也是研究的目的。

2.結(jié)論

超輻射發(fā)光二極管（SLD）作為一種高功率，寬光譜的光源器件，同其他的科學(xué)成果一樣也會(huì)深深影響著未來的科學(xué)發(fā)展與進(jìn)步。伴隨著今天以及將來許多更為優(yōu)良性能的SLD出現(xiàn)，重點(diǎn)在于學(xué)習(xí)，傳承并創(chuàng)新，將SLD技術(shù)推向更深層次。而對(duì)于其內(nèi)部磁場(chǎng)的研究，將有助于提高SLD的性能，甚至有可能發(fā)現(xiàn)它的新用途。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王佐才，呂雪芹，金鵬，王占國.超輻射發(fā)光二極管的運(yùn)用[J].紅外技術(shù)，2010（5）：32-5.

[2]鄒燕，張春熹，劉軍等.低功耗小型化光纖陀螺SLD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù)，2005（10）：62-63.

[3]裴雅鵬，楊軍.SLD光源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)儀器，2005（6）：58-61.

[4]謝輝，鄭云生.超輻射發(fā)光二極管組件[J].光通信技術(shù)，2004（4）.

[5]段成麗，王振.超輻射發(fā)光二極管的研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2013（6）：34-3.

[6]尹世剛，舒曉武，宮兆濤等.光纖陀螺用SLD光源的光功率穩(wěn)定性研究[J].光學(xué)儀器，2003（4）：20-24.