LED Superluminescenti (SLD) Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) A.A. 2014-15 Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DEIM)

Principio di funzionamento dei LED Superluminescenti (SLD) Since the light is guided by the waveguide, the light intensity emitted by the device linearly increases with the length of the waveguide edge-emitting LED Edge-emitting LEDs are motivated by the need for high-brightness LEDs that allow for high efficiency coupling to optical fibers Talvolta è richiesta una bassa coerenza ottica della luce emessa per applicazioni nel campo dell'imaging biomedico in tomografia ottica a coerenza di fase (OCT – Optical Coherence Tomography) waveguide However, the electrical current required to drive the LED also increases with the stripe length

Caratteristiche di un SLD Superluminescent diodes are edge-emitting LEDs that are pumped at such high current levels that emission occurs. - Thus SLDs have greater coherence (few tens of microns) compared with LEDs. - Spontaneous emission towards the top surface of the LED is reduced and emission into waveguide modes is enhanced. - Difference with semiconductor laser: amplified spontaneous stimulated SLDs lack the optical feedback provided by the reflectors of a semiconductor laser

Tipi di SLD (AR coating and lossy region) lossy region (not pumped by the injection current) reflective back-side reflector facet AR coating expensive (Sc2O3) no feedback occurs if the length of the lossy region is much longer than the absorption length of the core region length of lossy region >> a -1 a ~ 104 cm-1

Tipi di SLD (inclined waveguide) Inclinando la guida d'onda di un certo angolo θ rispetto alle sfaccettature è possibile ottenere una significativa riduzione e/o la soppressione totale della modulazione parassita Fabry-Perot L’angolo deve essere sufficientemente grande per evitare la riflessione totale alle pareti laterali (mode trapping) e prevenire la risonanza Fabry-Perot con le sfaccettature parallele

Tipi di SLD (bent waveguide)

Confronto tra LED, laser e SLD broad spontaneous emission spectrum residual small facet reflectivity (Fabry–Perot cavity enhancement) The spectral width of SLDs is narrower than that of LEDs due to increased coherence caused by stimulated emission.

Caratteristiche L-I spontaneous emission regime due to stimulated emission small active area current overflow In the stimulated emission regime, an increasing number of photons are guided by the waveguide. The number of photons emitted into waveguide modes increases with injection current as stimulated emission becomes dominant. superlinear, but more distinct threshold

SLD commerciali pigtailed

LED di Burrus chemically assisted mechanical polishing to about 150 µm thickness followed by a wet chemical etch reduce light absorption in the substrate The lateral size of the active region is determined by the p-type ohmic contact size of the LED The lateral extent of the active region is smaller than the core diameter of the optical fiber to maximize coupling efficiency

Applicazioni tipiche

Applicazioni dei SLED nei giroscopi a fibra ottica Se la bobina ruota, viene prodotta una variazione di fase (effetto Sagnac), misurando la quale all'uscita del rivelatore si ottiene un valore proporzionale alla velocità angolare

Applicazioni dei SLED nella tomografia ottica a coerenza di fase (OCT) SLD a 1,3 mm 60 nm, qualche mW E' necessario adoperare una sorgente di luce che emetta a bassa coerenza poiché, se viceversa la luce ha una lunghezza di coerenza elevata, si osservano delle oscillazioni di interferenza che non consentono una rivelazione e una misurazione precise La tomografia ottica a coerenza di fase è una tecnica di diagnostica per immagini con la quale è possibile analizzare sezioni di tessuto organico riflette alle interfacce tra i vari tessuti e diffonde a seconda delle proprietà ottiche delle zone che attraversa Se invece la luce emessa ha una lunghezza di coerenza breve, l'interferenza si verifica esclusivamente quando la differenza di cammino dei due raggi differisce solo per la lunghezza di coerenza E' molto usata nella diagnosi di malattie della cornea e della retina oltre che dell'apparato cardiovascolare L'impiego di SLD, quali sorgenti di luce a bassa coerenza nel settore della tomografia ottica consente dunque di ottenere una elevata risoluzione spaziale dell'immagine con un buon rapporto segnale/rumore. interferenza distanze e dimensioni delle varie parti del tessuto possono essere determinate tramite misura del tempo di ritardo della luce riflessa dalle differenti strutture al variare della posizione assiale dello specchio riflettente