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， 同時也成為了光時域反射儀（OTDR） 以及部分光通信設備的主要光源之一，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）的內部結構，工作原理，相關在發(fā)展中的應用與問題，以及SLD內部磁場分析和仿真設計。

【關鍵詞】超輻射發(fā)光二極管（SLD）；光輸出功率；光纖陀羅儀（FOG）；SLD內部磁場

0.引言

自1971年首個半導體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用領域得到了飛速發(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用，也就注定了它是一個熱門的領域。各個領域相輔相成，其他領域發(fā)展的同時，對于超輻射發(fā)光二極管的性能要求也來越高。對于所使用的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)勢所在，同時讓其所在的系統(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超輻射發(fā)光二極管的目標和方向。此外，SLD作為一種優(yōu)良性能的發(fā)光二極管，其內部磁場也是研究的一個方向。

當今有關SLD技術的許多方面運用已很純熟。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)慣性測量器，在電子工業(yè)，重工業(yè)等領域中有廣泛作用。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：在光學相關層析技術（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，其高精度分辨率決定了它要求光纖長度較短，SLD成為它的理想選擇。其三：SLD在低相干光時域反射儀（OTDR）中的運用。OTDC的重要指標包括分辨率和動態(tài)范圍，而SLD的相關長度短，高輸出功率成為其選擇目標。其四：SLD能用于波分復用技術中也是因為其高輸出功率，寬光譜的特點，且能與光纖傳輸技術兼容并用于其中[1]。SLD因為其優(yōu)良的性能，廣泛運用于光學，電子工業(yè)，航空航天，軍工，醫(yī)學等方面，隨著時間的推移，人們對于SLD會有更深層次的研究和長足發(fā)展。

目前所能生產SLD光源元件主要由發(fā)光管管芯、熱敏電阻器和半導體制冷器組成[2]。在光源驅動電路中，主要通過控制發(fā)光管管芯和驅動電流來控制SLD光源件，使其達到溫度和電流相互控制形成的自動控制功能。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光源元件采用標準14腳雙列直插或8腳蝶型帶尾纖的耦合封裝[3]。它是一種內部單程增益光發(fā)射器件，其性能指標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 有源層內反轉分布的電子從導帶躍遷到導價帶或雜質能級時， 與空穴復合而釋放出光子，這種自發(fā)輻射的光子在給定腔體中傳播時受增益作用而得到放大[4]。傳統(tǒng)的激光半導體中，腔體兩端面的反射作用形成諧振，當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器件的調制帶寬增大。

而在SLD光源器件接入電源工作后，會產生相應的熱量，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，因為現(xiàn)有的技術以及對其外觀大小的要求決定了只能通過協(xié)調溫度和電流之間保持達到合理的最大輸出功率。而這樣的要求就要經(jīng)過SLD光源器件的電路驅動設計來完成。SLD驅動控制多采用制冷器控制，或者恒流控制。SLD光源器件內部雖然發(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。基于運用需求，穩(wěn)定的輸出功率的光源器件要通過完善的電路驅動設計控制電流放和制冷器來使得電流和溫度協(xié)調達到可行性的最大化輸出功率。同時，這也使得SLD光源元件的驅動設計具有多樣化，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，多樣的設計方式展現(xiàn)出SLD寬廣的拓展范圍和發(fā)展空間。

超輻射發(fā)光二極管的廣泛運用，促成了這一領域的飛速發(fā)展。首先，追求寬光譜，大功率的SLD是其主要目標。但是注入電流的增大會使得光譜寬度變窄，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)化設計。SLD有源區(qū)結構分為量子阱（QW）和量子點（QD）兩種；第二，抑制SLD受激振蕩；第三：利用橫向結取代垂直結；第四：改進散熱方式。另外，可以改良SLD使其具有抗輻射性，在一些領域運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）將會是一個不斷深入的研究領域，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，就要求人們必須設計出更為完善的電路驅動方案，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領域發(fā)展，今后的SLD光源將會得到更大的用處，并且衍生出新的領域。

1.SLD內部結構的磁場規(guī)律

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

2.結論

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，同其他的科學成果一樣也會深深影響著未來的科學發(fā)展與進步。伴隨著今天以及將來許多更為優(yōu)良性能的SLD出現(xiàn)，重點在于學習，傳承并創(chuàng)新，將SLD技術推向更深層次。而對于其內部磁場的研究，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】

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

[2]鄒燕，張春熹，劉軍等.低功耗小型化光纖陀螺SLD驅動電路的設計[J].傳感器技術，2005（10）：62-63.

[3]裴雅鵬，楊軍.SLD光源驅動電路的設計與實驗研究[J].光學儀器，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，2004（4）.

[5]段成麗，王振.超輻射發(fā)光二極管的研究進展[J].半導體光電，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].光學儀器，2003（4）：20-24.