Распределение излучения иммерсионных светодиодов с длиной волны 3,4 мкм в дальнем поле
ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 535-15
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ИММЕРСИОННЫХ СВЕТОДИОДОВ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 3,4 МКМ В ДАЛЬНЕМ ПОЛЕ
© 2012 г.
Н. В. Зотова, канд. физ.-мат. наук; С. А. Карандашев; Б. А. Матвеев, доктор физ.-мат. наук; М. А. Ременный, канд. физ.-мат. наук; Н. М. Стусь
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург
E-mail: bmat@iropt3.ioffe.rssi.ru
В статье рассмотрено видоизменение распределения и мощности излучения в дальнем поле при варьировании геометрических параметров иммерсионных линз из кремния (n– = 3,4) и халькогенидного стекла (n– = 2,4), состыкованных с излучающими (l = 3,4 мкм) диодами на основе арсенида индия (n– = 3,5), и даны оценки эффективности использования таких устройств в миниатюрных оптических системах.
Ключевые слова: светодиоды средневолнового диапазона, линзы ИК диапазона, ИК газоанализаторы.
Коды OCIS: 230.6080, 260.3060, 120.3620, 230.0250. Поступила в редакцию 18.01.2012.
Оптическая пирометрия и спектроскопия уже давно заняли прочное место среди наиболее надежных и достоверных методов контроля многих технологических процессов в промышленности и экологии. Новые возможности для этих методов открывают свето- и фотодиоды (СД и ФД соответственно) средневолнового диапазона (3–5 мкм) на основе полупроводниковых гетероструктур А3В5, для которых характерны стабильность металлургических границ раздела, невосприимчивость к влаге, а также однородность свойств по поверхности эпитаксиальных структур. До недавнего времени широкое применение вышеуказанных компонентов сдерживалось невысоким значением их эффективности и недостаточной проработанностью конструкции приборов, в частности низким коэффициентом вывода излучения из полупроводникового кристалла c высоким показателем преломления (n– = 3,5). Одно из первых упоминаний о существенном возрастании коэффициента вывода излучения и увеличении мощности излучения СД на основе In(Ga)As (l = 3,3 мкм) относится к 1987 году, когда б лагодаря использованию иммерсионной линзы из халькогенидного стекла, имеющего показатель преломления 1 17 мм.
Рис. 5. Фотография микроиммерсионного СД, смонтированного на плоской монтажной плате (вид сбоку). Шаг масштабной сетки на фотографии 0,5 мм.
раемой зеркалом, невелико из-за малого угла сбора излучения внутри полупроводникового кристалла. Значение Pm можно повысить при уменьшении Н (увеличении угла сбора излучения внутри кристалла), при этом из-за широкой диаграммы направленности вышедшего из
Заключение
Таким образом, в работе показано, что линзы из кремния (n– = 3,4) и микролинзы из халькогенидного стекла (n– = 2,4) создают примерно одинаковое (4–5)-кратное увеличение оптической мощности СД, смонтированного по принципу иммерсионного источника излучения. При создании миниатюрной светосильной оптической схемы, например схемы датчика газоанализатора, изменяя размеры линзы из халькогенидного стекла, можно оптимизировать значение полезной мощности СД, используемой при измерениях.
Работа частично поддержана грантом седьмой рамочной программы ЕС (MINIGAS, # 224625).
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Chey J.W., Sultan P., Gerritsen H.J. Resonant photoacoustic detection of methane in nitrogen using a room temperature infrared light emitting diode // Appl. Optics. 1987. V. 26. P. 3192–3194.
2. Есина Н.П., Зотова Н.В., Марков И.И., Матвеев Б.А., Рогачев А.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н. Газоанализатор на основе полупроводниковых элементов // ЖПС. 1985. Т. 42. № 4. С. 691–694.
3. Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор) // ФТП. 2008. Т. 42. № 6. С. 641–657.
4. Matveev B.A. Mid-infrared Semiconductor Optoelectronics // Springer Series in Optical Science. ISSN 03424111. 2006. P. 395–428.
5. Kuusela T., Peura J., Matveev B.A., Remennyy M.A., Stus’ N.M. Photoacoustic gas detection using a cantilever microphone and III–V mid-IR LEDs // Vibrational Spectroscopy. 2009. V. 51. № 2. P. 289–293.
6. Remenniy M.A., Matveev B.A., Zotova N.V., Karandashev S.A., Stus’ N.M., Ilinskaya N.D. InAs and InAs(Sb(P) (3–5 mm) immersion lens photodiodes for portable optic sensors // Proc. SPIE. 2007. V. 6585. P. 658504.
7. Sotnikova G.Y., Gavrilov G.A., Aleksandrov S.E., Kapralov A.A., Karandashev S.A., Matveev B.A., Remennyy M.A. Low Voltage CO2-Gas Sensor Based on III–V Mid-IR Immersion Lens Diode Optopairs: Where we Are and How Far we Can Go? // Sensors Journal. IEE. 2010. V. 10. № 2. P. 225–234.
8. Кузнецов А.А., Балашов О.Б., Васильев Е.В., Логинов С.А., Луговской А.И., Черняк Е.Я. Дистанционный инфракрасный детектор углеводородных газов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2003. № 6. C. 55–59.
9. Закгейм А.Л., Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Черняков А.Е. Неохлаждаемые широкополосные флип-чип фотодиоды на основе InAsSb (lcut off = 4,5 мкм) // ФТП. 2009. Т. 43. № 3. C. 412–417.
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
65
УДК 535-15
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ИММЕРСИОННЫХ СВЕТОДИОДОВ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 3,4 МКМ В ДАЛЬНЕМ ПОЛЕ
© 2012 г.
Н. В. Зотова, канд. физ.-мат. наук; С. А. Карандашев; Б. А. Матвеев, доктор физ.-мат. наук; М. А. Ременный, канд. физ.-мат. наук; Н. М. Стусь
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург
E-mail: bmat@iropt3.ioffe.rssi.ru
В статье рассмотрено видоизменение распределения и мощности излучения в дальнем поле при варьировании геометрических параметров иммерсионных линз из кремния (n– = 3,4) и халькогенидного стекла (n– = 2,4), состыкованных с излучающими (l = 3,4 мкм) диодами на основе арсенида индия (n– = 3,5), и даны оценки эффективности использования таких устройств в миниатюрных оптических системах.
Ключевые слова: светодиоды средневолнового диапазона, линзы ИК диапазона, ИК газоанализаторы.
Коды OCIS: 230.6080, 260.3060, 120.3620, 230.0250. Поступила в редакцию 18.01.2012.
Оптическая пирометрия и спектроскопия уже давно заняли прочное место среди наиболее надежных и достоверных методов контроля многих технологических процессов в промышленности и экологии. Новые возможности для этих методов открывают свето- и фотодиоды (СД и ФД соответственно) средневолнового диапазона (3–5 мкм) на основе полупроводниковых гетероструктур А3В5, для которых характерны стабильность металлургических границ раздела, невосприимчивость к влаге, а также однородность свойств по поверхности эпитаксиальных структур. До недавнего времени широкое применение вышеуказанных компонентов сдерживалось невысоким значением их эффективности и недостаточной проработанностью конструкции приборов, в частности низким коэффициентом вывода излучения из полупроводникового кристалла c высоким показателем преломления (n– = 3,5). Одно из первых упоминаний о существенном возрастании коэффициента вывода излучения и увеличении мощности излучения СД на основе In(Ga)As (l = 3,3 мкм) относится к 1987 году, когда б лагодаря использованию иммерсионной линзы из халькогенидного стекла, имеющего показатель преломления 1 17 мм.
Рис. 5. Фотография микроиммерсионного СД, смонтированного на плоской монтажной плате (вид сбоку). Шаг масштабной сетки на фотографии 0,5 мм.
раемой зеркалом, невелико из-за малого угла сбора излучения внутри полупроводникового кристалла. Значение Pm можно повысить при уменьшении Н (увеличении угла сбора излучения внутри кристалла), при этом из-за широкой диаграммы направленности вышедшего из
Заключение
Таким образом, в работе показано, что линзы из кремния (n– = 3,4) и микролинзы из халькогенидного стекла (n– = 2,4) создают примерно одинаковое (4–5)-кратное увеличение оптической мощности СД, смонтированного по принципу иммерсионного источника излучения. При создании миниатюрной светосильной оптической схемы, например схемы датчика газоанализатора, изменяя размеры линзы из халькогенидного стекла, можно оптимизировать значение полезной мощности СД, используемой при измерениях.
Работа частично поддержана грантом седьмой рамочной программы ЕС (MINIGAS, # 224625).
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Chey J.W., Sultan P., Gerritsen H.J. Resonant photoacoustic detection of methane in nitrogen using a room temperature infrared light emitting diode // Appl. Optics. 1987. V. 26. P. 3192–3194.
2. Есина Н.П., Зотова Н.В., Марков И.И., Матвеев Б.А., Рогачев А.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н. Газоанализатор на основе полупроводниковых элементов // ЖПС. 1985. Т. 42. № 4. С. 691–694.
3. Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор) // ФТП. 2008. Т. 42. № 6. С. 641–657.
4. Matveev B.A. Mid-infrared Semiconductor Optoelectronics // Springer Series in Optical Science. ISSN 03424111. 2006. P. 395–428.
5. Kuusela T., Peura J., Matveev B.A., Remennyy M.A., Stus’ N.M. Photoacoustic gas detection using a cantilever microphone and III–V mid-IR LEDs // Vibrational Spectroscopy. 2009. V. 51. № 2. P. 289–293.
6. Remenniy M.A., Matveev B.A., Zotova N.V., Karandashev S.A., Stus’ N.M., Ilinskaya N.D. InAs and InAs(Sb(P) (3–5 mm) immersion lens photodiodes for portable optic sensors // Proc. SPIE. 2007. V. 6585. P. 658504.
7. Sotnikova G.Y., Gavrilov G.A., Aleksandrov S.E., Kapralov A.A., Karandashev S.A., Matveev B.A., Remennyy M.A. Low Voltage CO2-Gas Sensor Based on III–V Mid-IR Immersion Lens Diode Optopairs: Where we Are and How Far we Can Go? // Sensors Journal. IEE. 2010. V. 10. № 2. P. 225–234.
8. Кузнецов А.А., Балашов О.Б., Васильев Е.В., Логинов С.А., Луговской А.И., Черняк Е.Я. Дистанционный инфракрасный детектор углеводородных газов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2003. № 6. C. 55–59.
9. Закгейм А.Л., Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Черняков А.Е. Неохлаждаемые широкополосные флип-чип фотодиоды на основе InAsSb (lcut off = 4,5 мкм) // ФТП. 2009. Т. 43. № 3. C. 412–417.
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
65