Исследование оптических параметров экспериментальных образцов ультрафиолетовых светодиодов для систем связи и контроля Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.32

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ СВЕТОДИОДОВ ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ И КОНТРОЛЯ

Арсений Викторович Поважаев

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, аспирант, тел. (383)330-71-20, e-mail: powazhaev@yandex.ru

Александр Викторович Бритвин

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: jeepo@mail.ru

Борис Викторович Поллер

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-20, e-mail: lablis@mail.ru; ЗАО «СКБ», 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Плотинная, 8, директор, тел. (383)306-28-20, e-mail: skbpol@mail.ru

Андрей Борисович Поллер

ЗАО «СКБ», 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Плотинная, 8, заместитель директора, тел. (383)306-28-20, e-mail: zaoskb@mail.ru;

Николай Николаевич Бакин

Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов, 634034, Россия, г. Томск, ул. Красноармейская, 99а, заместитель директора, тел. (3822)555-089, e-mail: niipp@niipp.ru

Сергей Николаевич Устюгов

Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов, 634034, Россия, г. Томск, ул. Красноармейская, 99а, ведущий инженер-технолог, тел. (382)255-50-89, e-mail: niipp@niipp.ru

Проведено исследование оптических характеристик опытных образцов светодиодов ультрафиолетового диапазона, производства НИИ ПП, г. Томск, совместно с ИЛФ СО РАН и ЗАО «СКБ». Рассмотрена возможность создания светодиодов с выходным волоконным каналом.

Ключевые слова: светодиод, волновод, оптическая мощность, радиометр.

INVESTIGATION OF OPTICAL PARAMETERS OF THE EXPERIMENTAL SAMPLES OF UV LEDS FOR COMMUNICATION SYSTEMS AND CONTROL

Arseniy V. Povazhaev

Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15 B Аkademik Lavrentiev Prospect, graduate student, tel. (383)330-71-20, e-mail: powazhaev@yandex.ru

Alexander V. Britvin

Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15 B Аkademik Lavrentiev Prospect, researcher, tel. (383)330-71-20, e-mail: jeepo@mail.ru

Boris V. Poller

Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15 B Akademik Lavrentiev Prospect, Head of the Laboratory, tel. (383)330-71-20, e-mail: lablis@mail.ru; ZAO SKB, 630058, Russia, Novosibirsk, 8 Plotinnai str., Director, tel. (383)306-28-20, e-mail: skbpol@mail.ru;

Andrei B. Poller

ZAO «SKB», 630058, Russia, Novosibirsk, 8 Plotinnai St., Deputy Director, tel. (383)306-28-20, e-mail: zaoskb@mail.ru

Nikolay N. Bakin

Research Institute of Semiconductor Devices, 634034, Russia, Tomsk, 99a Krasnoarmeyskaya St., Deputy Director, tel. (3822)555-089, e-mail: niipp@niipp.ru

Sergey N. Ustyugov

Research Institute of Semiconductor Devices, 634034, Russia, Tomsk, 99a Krasnoarmeyskaya St., leading engineer-technologist, tel. (382)255-50-89, e-mail: niipp@niipp.ru

The study of optical performance of ultraviolet LEDs prototypes, produced by NIIPP (Research Institute of semiconductor devices), Tomsk, in cooperation with ILP SB RAS and ZAO SKB, is conducted. The possibility of creating LEDs with an output fiber channel is considered.

Key words: LED, waveguide, optical power, radiometer.

Оптическое излучение ближнего ультрафиолетового диапазона лежит в области длин волн 400-315 нм. Характерные особенности данного типа оптического излучения позволяют создавать изделия, работающие с использованием таких явлений как флуоресценция, атмосферное рассеяние света, перевод веществ из одного стационарного состояния в другое, с использованием эффектов поглощения и пр. В качестве наиболее известных примеров подобных разработок можно привести такие проекты как создание невидимых чернил, проявляющихся только при их засветке ультрафиолетовым излучением; реализация атмосферных оптических линий связи, работающих при отсутствии прямой видимости между излучателем и приемником [1-3]; появление жидких смол, затвердевающих при поглощении ультрафиолетового излучения. Список возможных применений, основанных на базе данного спектра длин волн весьма обширен, что говорит о востребованности излучателей данного спектрального диапазона.

В ходе исследовательских и работ, проводимых совместно организациями ИЛФ СО РАН, ЗАО «СКБ» (г. Новосибирска) и АО «НИИПП» (г. Томска), были разработаны и произведены опытные образцы ультрафиолетовых светодио-дов, внешний вид которых приведен на рис. 1.

Данные светодиоды выполнены на базе излучающих кристаллов, производства Китай на длину волны 365 и 385 нм. В качестве основы для размещения кристалла, использованы корпуса, применяемые при производстве серийных мощных светодиодов инфракрасного диапазона типа АОИ201.

Рис. 1. Светодиод ультрафиолетового диапазона (365 нм):

а) светодиод с заливкой излучающего кристалла оптическим компаундом; б) светодиод с защитой излучающего кристалла выполненной с использованием стекла

Исследуемый светодиод с радиатором закреплялся на оптическом поворотном столе и направлялся в сторону чувствительного элемента УФ радиометра ТКА ПМ, установленного на оптическую стойку, на расстоянии 50 см, от светодиода. К светодиоду через балластный резистор подводилось напряжение с источника питания. Напряжение выбиралось таким образом, чтобы через светодиод протекал номинальный рабочий ток, составляющий, согласно документации, на используемые кристаллы, 300 мА. Данный параметр контролировался в течение всего эксперимента.

В ходе работы, светодиод поворачивался на ± 90°, с шагом в 5°, путем вращения поворотного стола, при этом фиксировались показания УФ радиометра. Эксперимент проводился 2 раза, для определения горизонтального и вертикального углов расходимости излучения светодиода. Характеристики, полученные в ходе проведения эксперимента, приведены на рис. 2 и 3. Для светодиода с защитой кристалла при помощи оптического компаунда, измеренные зависимости по вертикальной и горизонтальной осям оказались очень похожими.

Угол, градус Угол, градус

а) б)

Рис. 2. Угол расходимости излучения ультрафиолетового светодиода с защитным кварцевым стеклом в горизонтальной (а) и вертикальной (б)

плоскости

Рис. 3. Угол расходимости излучения ультрафиолетового светодиода с защитой кристалла оптическим компаундом

В настоящее время начинает проявляться спрос на оптические системы, использующие в качестве входных и выходных интерфейсов оптические волноводы. Формирование подобных сборок позволяет подводить излучение к труднодоступным местам исследуемых объектов, а так же исключать потери мощности, связанные с введением светового потока в волокно. Для измерения угла расходимости была собрана установка, подобная предыдущей. Отличие заключалось в том, что излучение от светодиода заводилось в оптический волновод, противоположный торец которого закреплялся на поворотном столе и в ходе работы измерялся угол расходимости излучения с выхода оптического волокна.

В ходе работы были использованы два типа волноводов: J-V2Y(ZN)11Y №980/1000, производства HITRONIC, длиной 1,67 м и FT600UMT, производства Thorlabs, длиной 0,95 м. Измеренные характеристики приведены на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. Угол расходимости излучения УФ светодиода: а) измерение горизонтальной оси; б) измерение вертикальной оси

Помимо измерения углов расходимости, светодиодов и волоконных сборок, была произведена оценка выходной мощности излучаемых модулей. Измерения проводились с использованием ультрафиолетового радиометра ТКА ПМ. Результаты измерений, сведены в таблицу.

Таблица

Оптическая мощность ультрафиолетовых модулей

Изделие Мощность, мВт

Светодиод с кварцевым стеклом 650

Светодиод с оптическим компаундом 700

Светодиод с волокном J-V2Y(ZN)11Y 1Р980/1000 370

Светодиод с волокном FT600UMT 130

В АО «НИИПП» совместно с ИЛФ СО РАН и ЗАО «СКБ» в 2017-2019 гг. реализуется программа по подготовке серийного производства УФ диодов уже на базе кристаллов, разработанных в России.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. О применении ультрафиолетовых лазерных систем для определения координат объектов вне прямой видимости / Б. В. Поллер, А. В. Бритвин, Е. В. Удальцов, С. И. Коняев, Ю. И. Щетинин // ГЕО-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов в 7 т. (Новосибирск, 2529 апреля 2005 г.). - Новосибирск : СГГА, 2005. Т. 6. - С. 130-133.

2. Бритвин А. В., Поллер Б. В., Щетинин Ю. И. Использование ультрафиолетового канала с рассеянием в беспроводных информационных системах и микросистемах // ГЕО-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск : СГГА, 2007. Т. 4, ч. 1. - С. 174-180.

3. Бритвин А. В. Оценка импульсных характеристик оптического атмосферного ультрафиолетового канала с рассеянием // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. - 2010. - Т. 5, № 2. - С. 5-7.

© А. В. Поважаев, А. В. Бритвин, Б. В. Поллер, А. Б. Поллер, Н. Н. Бакин, С. Н. Устюгов, 2017