Применение диодов среднего инфракрасного диапазона для волоконно-оптических датчиков

См. также: B. A. Matveev, N.V.Zotova, S. A. Karandashev, M. A. Remennyi, N. M. Stus' and G.N.Talalakin “3.4 mm “Flip-chip” LEDs for Fiber Optic Liquid Sensing” SPIE Proceedings of the International CONFERENCE on ADVANCED OPTOELECTRONICS and LASERS (CAOL’2003) September 16-20, 2003 Alushta, Crimea, Ukraine

В среднем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (3-5 мкм) расположены фундаментальные полосы поглощения многих важных для практики и/или вредных веществ и газов, поэтому задача создания в указанном диапазоне эффективных источников излучения является актуальной. Такие источники могут применяться, например, для анализаторов метана, угарного газа, углеводородов в воде и т.д.. В последнем случае, однако, из-за сильного поглощения воды с одной стороны, и малых концентраций измеряемого компонента – с другой, методы, основанные на прямом измерении прозрачности (пропускания) среды не всегда эффективны. В этой связи более практичными могут оказаться методы, основанные на измерении поглощения, возникающего в непостредственной близости от поверхности оптического волокна, помещенного в исследуемую среду и соединенного с источником, излучающим вблизи полосы поглощения измеряемого компонента, т.е. с помощью «fibre evanescent field analysis» [1].

Материалом волокна могут быть халькогенидные стекла, хлориды/галиды серебра, сапфир или флюоритное стекло [2]. Последнее было использовано в прототипе волоконно-оптического датчика пропана, в котором источник представлял собой полупроводинковый диод из InGaAs с точечным верхним катодом, смонтированный в параболическом отражателе [3]. Из-за наличия на излучающей поверхности контакта и, соответственно, отходящей от него проволки в описанном датчике стыковка с волокном была осуществлена простым расположением торца волокна на некотором расстоянии от светодиода. Естественным результатом такой стыковки являлась низкая эффективность ввода и невысокая мощность излучения на выходе из волокна (порядка 1 мкВт).

Вместе с тем в последнее время активно разрабатываются конструкции ИК светодиодов с контактами расположенными на поверхности, противоположной излучающей, или типа «flip-chip», которые можно использовать для эффективной иммерсионной стыковки с пассивными оптическими деталями путем их «приклейки» к излучающей поверхности оптическим компаундом [4]. Подобная иммерсия уже хорошо себя зарекомендовала применительно к фокусирующим линзам, состыкованным с оптически [5] и электрически [6] возбуждаемыми светодиодами посредством низкоплавкого халькогенидного стекла с высоким показателем преломления (n=2.6), однако «иммерсионная» стыковка не применялась пока для оптических волокон, работающих в среднем ИК диапазоне.

Здесь мы сообщаем о первых опытах по стыковке ИК светодиодов, излучающих в диапазоне 3-5 мкм и смотированных эпитаксиальным слоем вниз, или светодиодов типа «flip-chip», осуществленной с помощью халькогенидного стекла.

На рис.1 представлена схема светодиода, состыкованного с волокном. Существенным в представленной на рис.1 конструкции является то, что подложка или слои, расположенные между активной областью и волокном, не препятствуют выходу излучения из кристалла (т.е. слабо поглощают). Это достигается за счет создания узкозонных по отношению к подложке рабочих слоев, например, слоев InAsSb или InAsSbP на подложке InAs, стравливанием подложки и использованием слоев InAsSbP с увеличивающейся к излучающей поверхности шириной запрещенной зоны [7,8] или выбором степени легирования подложки, при которой наступает вырождение зоны проводимости и сдвиг края поглощения в коротковолновую область [6^,9]. В последнем случае «коротковолновый рекорд» состоит в эффективном выводе излучения с длиной волны около 3 мкм через пластину арсенида индия толщиной 50-70 мкм [10], а наиболее значимым для практики результатом является создание «иммерсионных» светодиодов для анализа углеводородов ^{[5, 6]}.

Не менее важным обстоятельством является наличие обоих контактов на одной поверхности, что создает ряд преимуществ, а именно, облегчает доступ к излучающей поверхности и позволяет закрепить на ней торец волокна в непосредственной близости от кристалла. Очевидно, что при применении прозрачного и оптически плотного «склеивающего» компаунда потери при вводе излучения будут минимальны из-за большой апертуры. Мощность излучения, как показано на Рис.2, имела сублинейную зависимость от тока, характерную для большинства светодиодов среднего ИК диапазона. Мы оцениваем, что при использовании халькогенидного стекла с показателем преломления n=2.6 и волокна из As₂S₃ диаметром 500 мкм мощность излучения светодиода 3.4 мкм, выходящего с торца волокна при токе I= 500 мA, составляла 0.1 мВт (см. Рис.2). Для светодиодов излучающих на длинах волн 3.4-4.3 мкм эффективность ввода излучения, выходящего из светодиода с диаметром мезы 300 мкм, составила ~30 % .