超辐射发光二极管： 器件基础和可靠性
InPhenix, Inc.，
250 N. Mines Road，利弗莫尔，CA 94551，美国
一、引言
超辐射发光二极管 (SLED) 因其宽带宽和高输出功率，已被证明是光学相干断层扫描仪 (OCT)、光纤传感器和光学相干域反射仪 (OCDR) 应用的理想光源。目前，InPhenix 公司已推出基于 GaAs/或 InP 材料体系的 SLED 器件，波长窗口为 820nm、1300nm 和 1550nm。表 1 列出了 InPhenix SLED 产品的性能及其目标应用。
表 1 InPhenix SLED 设备性能及其目标应用。
在本文中，我们将回顾一些 SLED 基础知识及其已证实的可靠性。
SLED基础知识
SLED 是一种边发射半导体光源。SLED 的独特之处在于其高功率和低光束发散度，类似于注入式激光二极管 (LD)，但具有宽发射光谱和低相干性，类似于发光二极管 (LED)。SLED 在几何形状上与激光器相似，但没有 LD 所需的内置光反馈机制，而 LD 需要内置光反馈机制来实现受激发射。SLED 操作与 LD 的主要区别在于：增益更高、电流密度更高，以及有源区内光子和载流子密度分布的不均匀性更强。SLED 具有与 LED 类似的结构特征，通过降低面反射率来抑制激光作用。SLED 本质上是高度优化的 LED。虽然 SLED 在低电流水平下的工作方式与 LED 类似，但其输出功率在高电流下会超线性增加。
有六个关键参数用于表征SLED：
（1）输出功率，
（2）光增益，
（3）ASE光谱带宽或3dB带宽，
（4）光谱调制或纹波，
（5）相干长度，
（6）相干函数。
每个SLED都有两束沿有源区反向传播的放大自发辐射光束。完美的SLED应该是一个优化的行波激光二极管放大器，其有源通道端的反射为零。然而，由于某些制造工艺（例如抗反射涂层 (AR)）的物理限制，完美的SLED几乎不可能实现。
输出功率和光增益
饱和状态下的单程光增益 (Gs) 由下式决定：
SLED 输出功率与光学增益和自发辐射率呈近似线性关系。通常需要较高的光学增益值（20 至 30 dB 之间）才能实现高输出功率。公式 (1) 表明，可以通过使用高注入电流、较大的光学限制、长腔、多量子阱 (MQW) 结构或上述几种方法的组合来实现高增益。
图 1 分别显示了 InPhenix 3 mW 和 25mW SM 光纤输出 SLED 在 820 nm 和 1300 nm 窗口的典型光电流特性
图 1 InPhenix SLED 器件在 (a) 820 nm 波段 (IPSDD0802) 和 (b) 1300 nm 波段 (IPSDD1304) 的 LI 特性
ASE光谱特性（光谱带宽、光谱调制或纹波）和
相干特性（相干长度、相干函数）
ASE光谱特性可用以下公式来描述：
（1）3dB 带宽（l3dB，单位为 nm）：定义为 ASE 光谱的半峰全宽 (FWHM)，
如图 2 所示。范围为 10 nm 至 100 nm 或更大。
（2）光谱调制度（Dm，单位为 % 或 dB）：定义为在 l± dl 处测得的 l 处平均振幅的峰峰值
（dl 至少覆盖一个调制周期，OSA 分辨率设置为 0.06 nm 或
更高），如图 3 所示。光谱调制度应尽可能低（
对于大多数应用，5%（0.2 dB）或更低是正常的）。
带宽与光限制和腔长成反比，由于能带填充效应，带宽会随着注入电流的增加而变宽。此外，单量子阱 (SQW) 和多量子阱 (MQW) SLED 比体量子阱 (BMS) SLED 提供更宽的带宽。在 1550 nm 波段使用多量子阱结构可以将光谱从 50 nm 展宽到 100 nm 以上，如图 4 所示。
图 4 250 mA 时的 1550 nm SLED 带宽（Inphenix 的 IPSDD1502 和 IPSDD1503 产品）对于体结构（a）约为 50 nm，对于 MQW 结构（b）约为 100 nm。
ASE 光谱调制是由于 SLED 面残余反射引起的，可以通过以下方式确定：
其中，RF 和 RR 分别为前端面和后端面的反射率。当 Gs 达到 30 dB 增益以实现高输出功率时，RFRR 的值必须小至 10-10，才能保持 2% 的峰峰值光谱调制。目前已使用多种方法来降低端面反射率，以实现非常低的光谱调制。例如：使用增透膜、非泵浦吸收体、短路吸收体、非吸收性窗口、弯曲波导、斜条以及这些方法与增透膜的组合。
频谱调制可以用百分比（%）或分贝（dB）为单位表示。图5显示了
百分比与分贝之间的关系。
图 5 分贝与频谱调制百分比
SLED相干特性可以用相干长度和相干函数来描述。SLED相干长度（自由空间）由SLED频谱的3dB带宽决定，公式如下：
图 7：在 140 mA 注入电流下测得的 IPSDD0802 的光谱和 (b) 相干函数。(c) 在 450 mA 注入电流下测得的 IPSDD1304 的光谱和 (d) 相干函数。
作为SLED的ASE光谱和相干函数特性的一个例子，图7示出了基于（1）光谱带宽为24nm、光谱调制小于2%（或0.1dB）的InPhenix IPSDD0802 SLED器件和（2）光谱带宽为55nm、光谱调制小于7%（或0.3dB）的InPhenix IPSDD1304 SLED器件的光谱和相干函数。
相干函数数据非常好，IPSDD0802 的相干性测量范围为 8 毫米，IPSDD1304 的相干性测量范围超过 10 毫米，伪影可忽略不计，如图 7(b) 和 (d) 所示，这使得这些设备适用于所有 OCDR 应用。
除了上述六个关键参数外，空间特性、偏振和SLED调制也用于表征SLED，以用于特殊的系统设计应用。空间特性：InPhenix的SLED产品设计为单空间模式发射器件，可实现高耦合效率。SLED的空间特性可以通过其远场模式来描述。SLED的典型远场如表2所示。
表 2. InPhenix SLED 产品的典型远场
图 7 显示了 InPhenix IPSDD1304 的典型远场模式，其角度为 29 x 34 度。
图 7 InPhenix IPSDD1304 SLED 器件的典型远场模式，其中 H 代表
水平方向，V 代表垂直方向
偏振：
SLED 的偏振很大程度上取决于有源层结构；它可以是由 TE（或 TM）偏振主导，也可以与偏振无关，即 TE/TM 功率比接近于 1。大多数 SLED 产品都是 TE 偏振的。InPhenix 提供偏振不敏感的 SLED，其 TE 和 TM 偏振之间的功率差低至 0.2 dB。图 8 显示了此类 SLED 在 1300 nm 波长窗口的一个例子。
图 8 (a) TE/TM 光功率比与注入电流的关系和 (b)
在 200 mA 注入电流下观察到的 TE 和 TM 的 ASE 光谱。
SLED 调制
SLED 经常用作 CW 光源，其调制带宽尚未得到彻底研究，但应该可以毫不费力地直接调制任何高达 100 MHz 的 SLED 设备。
三、SLED温度性能
增益系数g0(T)与温度相关，并随温度变化呈指数衰减。根据公式(1)，光增益与温度高度相关，因此SLED功率也与温度高度相关。图9显示了使用InPhenix IPSDD0801 SLED器件，在-30°C至+90°C范围内功率随温度变化的示例。
SLED 中心波长 (CWL) 和光谱带宽也会随着环境温度的变化而变化，如图 10 所示，使用了 InPhenix IPSDD0801 SLED 设备。
需要指出的是，不应通过增加SLED电流来补偿功率随温度下降而降低的情况，因为这会因载流子密度高而显著缩短SLED的寿命。SLED的温度性能也很大程度上取决于驱动模式（例如恒流或恒功率）、有源层结构（例如体层或MQW）以及腔长和/或工作波长窗口等一系列其他参数。我们鼓励客户联系我们，了解每种InPhenix SLED产品的具体细节。
四、SLED和光学反馈
当SLED温度由TEC调节时，SLED内部的物理过程由载流子注入和光子产生过程控制。载流子注入过程可以用速率方程描述。光子产生过程可以用基于基本麦克斯韦方程组的行波方程描述。前向和后向传播的光子密度可以通过SLED与增透膜相关的边界条件以及来自光学界面的任何反馈来确定。
SLED内部载流子密度和分布是理解光反馈引起性能变化的关键。载流子密度和分布与正向和反向直接相关。
反向光强度由两个面的反射率和进入SLED的反馈光的波动决定。公式（2）表明，SLED光谱调制对外部光反馈（光反馈可以等效于有效面反射率）高度敏感，尤其对于高光增益器件而言。任何返回光都会在SLED有源区被放大，并导致SLED内部载流子密度重新分布。这将导致性能变化，例如光谱调制增强、中心波长和峰值波长偏移、带宽变窄、输出功率稳定性下降，以及器件可靠性和使用寿命降低。
为了最大限度地减少由于外部反馈到 SLED 而导致的性能变化，建议使用 APC 连接器，尤其是对于强大的 SLED 设备。
五、运行稳定性、可靠性及寿命
通过优化设计、改善晶体生长、优化制造工艺、使用更好的散热器、消除机械应力、开发更有效的面钝化技术和键合方法，并结合对导致 SLED 性能下降的各种因素进行适当的分析，可以提高 SLED 的长期运行稳定性和可靠性。
SLED 内在退化机制可分为四类：
（1）芯片内部区域形成缺陷，
（2）AR 涂层质量，
（3）由于氧化而影响面反射率的面损坏，
（4）高功率密度下的灾难性镜面损坏。
LD 的寿命取决于驱动电流密度。SLED 的使用寿命可能短于输出功率类似的 LD，原因如下：(1) 为实现相同的输出功率，SLED 需要使用相当高的电流；(2) SLED 有源区内载流子分布不均匀，在较高的驱动电流密度下，可能会加速器件的运行并使其过载。
SLED 的寿命还取决于其他几个因素，包括设计、材料（例如 AlGaAs/GaAs 或 InGaAsP/InP）、制造工艺质量、工作电流密度以及 SLED 的使用方式。与 LD 一样，SLED 对静电放电、过热、尖峰/浪涌过驱动以及负电压非常敏感。因此，温度和驱动电流的稳定性是延长 SLED 外部寿命的关键因素。此外，应避免或尽量减少外部光反馈，因为它很容易导致 SLED 性能严重下降，尤其是对于大功率 SLED 而言。
InPhenix SLED 的设计和制造注重长寿命、运行稳定性和高可靠性。我们的产品已成功通过以下标准测试：
六、总结
InPhenix 可提供 DIL/14 针、BUT/14 针和 BUT/8 针 SLED 器件，并配备 SMF/PM 尾纤，波长范围从 780 nm 至 1650 nm。所有产品均经过全面测试，确保长期可靠运行。我们严格执行质量保证和测试程序，确保产品符合最高的制造标准，并为客户提供久经考验的可靠性。
