Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 107-111

ВВЕДЕНИЕ

По сдвигу спектра излучения светодиода или полупроводникового лазера после подачи тока накачки можно определить изменение температуры активной области светоизлучающей структуры [1–3] и оценить тепловые параметры светоизлучающего прибора.

Для исследования динамики изменения спектров оптического излучения в последнее время все чаще применяются многоэлементные фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью и комплементарных металлооксидных полупроводниковых (КМОП) матриц [4, 5]. Современные спектрометры на основе многоэлементных фотоприемников (Cary 100/300, спектрометр IS3000-LED [6] и др.) имеют быстродействие порядка нескольких сотен миллисекунд, а разрешение по длине волны до 0.2 нм и не позволяют регистрировать быстро изменяющиеся спектры излучения светоизлучающих приборов.

Для исследования динамики сдвига спектра излучения светодиодов при их включении разработана экспериментальная установка на основе оптической системы спектрофотометра СФ-46 без выходной щели и с дополнительной фокусирующей системой, расположенной перед фотоприемной КМОП-матрицей.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В фотоприемных цифровых КМОП-камерах с “бегущим” затвором используется задержка считывания строк от начала записи кадра, при этом время задержки τ_shift однозначно связано с номером строки:

где N – число строк в кадре; τ_RST – время сброса; τ_px – время считывания одного пикселя; M_px – количество пикселей в строке.

Существует круг задач, в которых необходимо, например, измерить одномерные распределения интенсивности оптического сигнала, и такое свойство КМОП-матриц, как временной сдвиг начала экспозиции строк, может оказаться полезным. Применение режима “бегущего” затвора КМОП-матриц позволяет использовать временную развертку для регистрации изменения спектра.

Этот эффект использован при исследовании переходных тепловых процессов в светодиодах по смещению спектра излучения [7]. Момент включения светодиода синхронизируют с началом считывания кадра, а изображения спектральных линий располагают перпендикулярно строкам КМОП-матрицы. В результате каждый пиксель матрицы изображения будет содержать информацию об интенсивности J излучения определенного спектрального участка в заданный момент времени:

где y – номер строки матрицы, t – время, x – номер столбца матрицы, λ – длина волны спектра.

Для матрицы IBIS5-B-1300 размером 1024 × × 1280 пикселей типовое значение времени сдвига τ_shift равно 35.574 мкс, для камеры Cubeternet GL-UPC822 UVC – 61 мкс, а для Z-Star SCMOS-00350KPA – 84 мкс. Таким образом, с использованием режима “бегущего” затвора современных фотоприемных КМОП-матриц можно получить графики изменения интенсивности различных спектральных составляющих излучения светодиода с высоким временным и спектральным разрешением.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Структурная схема установки представлена на рис. 1. Установка состоит из источника 1 исследуемого излучения, размещенного внутри термостата 2. Температура в непосредственной близости от корпуса исследуемого светодиода измеряется с помощью термопары 3. Исследуемое излучение через прозрачное окно поступает на входную щель 4 и, далее, на диспергирующую систему 5, где происходит разложение светового потока в спектр. Положение центральной длины волны (максимума интенсивности излучения) на изображении спектра устанавливается механическим поворотным устройством 6.

Полученное спектральное распределение входного излучения через фокусирующую систему 7 формирует изображение на фотоприемной КМОП-матрице 8. Изображение спектра записывается и анализируется с помощью компьютера. Для исключения внешней засветки вся оптическая система помещена в светонепроницаемый кожух 9. Блок управления 10 по командам от персонального компьютера 11 задает ток или напряжение на светодиоде и поддерживает заданную температуру рабочей области. В установке использован поворотный механизм и часть оптической системы спектрофотометра СФ-46. Исследуемый светодиод фиксируется держателем в виде пинцета с изолированными игольчатыми контактами. Провода контактов выведены через теплоизоляционную пробку и подключены к блоку управления. Пробка плотно устанавливается в нагревательном элементе и дополнительно фиксируется прижимом.

Нагреватель позволяет верифицировать результаты измерений при различных значениях начальной температуры. Он изготовлен из двух алюминиевых цилиндров различного диаметра, между цилиндрами на изоляторах намотана нихромовая спираль и проложен теплоизоляционный материал. Выходное отверстие нагревателя закрыто кварцевым стеклом толщиной 1 мм.

Поворотный механизм дифракционной решетки позволяет установить положение центральной длины волны спектра и направить световой поток на фотоприемник через фокусирующую систему. Фокусирующая система состоит из коллиматора и длиннофокусного объектива и обеспечивает фокусировку изображения спектра входного излучения на фоточувствительную область КМОП-матрицы. Последняя представляет собой кристалл размером 2.4 × 1.8 мм (1/6"), содержащий 480 строк по 640 пикселей в строке.

С персонального компьютера устанавливается необходимый режим работы матрицы: время накопления, автоматический/ручной баланс белого, яркость, контрастность, цветность, насыщенность, гамма-коррекция. Блок управления поддерживает заданную температуру в нагревателе. На исследуемом образце поддерживается постоянное значение тока или напряжения. Передача измеренных данных в персональный компьютер и прием команд от компьютера осуществляются через USB-интерфейс.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Полученные на установке изображения спектра излучения SMD (Surface Mounted Device) светодиода FYLS-3528BURC красного свечения при значении прямого тока 8.58 мА приведены на рис. 2. В качестве фотоприемника использовалась КМОП-матрица камеры Z-Star SCMOS-00350KPA. Время накопления составило 0.4 мс; ширина входной щели равна 1.0 мм. Положение камеры было выбрано так, что в 640 пикселях строки помещалась полоса 80 нм, соответственно шаг составил 0.125 нм/пиксель.

На рис. 3 приведены графики смещения максимума спектра при токах 5.90 мА (рис. 3а) и 8.58 мА (рис. 3б) относительно установившегося режима. Для этого строилась зависимость максимума корреляционной функции первого R₁(y) и пятого R₅(y) кадров (установившийся режим) от координаты y, затем находилась их разность: ∆x(y) = max(R₁(y)) – max(R₅(y)), где номер строки y принимает значения от 1 до 480. Такой подход позволяет получить зависимость смещения длины волны в максимуме спектра от времени. Согласно графикам, скорость этого смещения зависит от величины тока. Среднее значение скорости смещения спектра при токе 5.9 мА составило 775 нм/с, а при токе 8.58 мА – 2170 нм/с.

На рис. 4 показаны два последовательных кадра, полученные без синхронизации с моментом включения светодиода, при токе 18.53 мА. Небольшие неоднородности яркости на кадре обусловлены, на наш взгляд, неоднородностями зеркала оптической системы.

На рис. 5 штриховой линией показаны временные зависимости смещения максимума спектра. Средняя скорость смещения центральной длины волны спектра излучения для первого кадра составила 64.70 нм/с, для второго – 5.42 нм/с. Зависимость ∆λ(t) на рис. 5а аппроксимирована функцией ∆λ(t) [нм] = 0.338 – 1.685exp(–t/9.84), а на рис. 5б – функцией ∆λ(t) [нм] = 0.0155 – 0.227exp(–t/12.75), где t, мс – время.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Характеристики светодиода, которые можно комплексно определить по одному кадру (≈30 мс) изображения спектра, полученному на описанной выше установке, при подаче на образец ступеньки тока, показаны на рис. 6.

Кривая 1 на рис. 6 – график изменения интенсивности излучения. На уровень сигнала интенсивности излучения оказывают влияние следующие факторы: величина прямого тока светодиода [7]; время накопления фотоприемника (помимо уровня интенсивности излучения, этот параметр определяет еще и дискретность развертки спектра по времени); ширина входной оптической щели спектрофотометра [4]; спектральная и пространственная чувствительность фотоприемника; температура [8].

Границы спектра излучения по уровню 0.1J_max показаны на рис. 6 линией 2.

В результате саморазогрева гетероструктуры наблюдается расширение спектра со смещением его границ по уровню 0.1J_max как в коротковолновую, так и в длинноволновую область [1, 9, 10]. При этом, поскольку ширина запрещенной зоны полупроводников уменьшается с повышением температуры, в результате саморазогрева гетероперехода светодиода наблюдается сдвиг Δ спектра в длинноволновую область. По сдвигу максимума спектра можно рассчитать изменение температуры перехода светодиода и оценить его тепловые параметры [11]. При задании импульсного рабочего тока через светодиод установка позволяет измерить тепловой импеданс светодиодов по способу, описанному в работе [12].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение режима “бегущего” затвора КМОП-матрицы позволяет регистрировать изменения интенсивности излучения, ширины и смещения центральной длины волны спектра излучения светодиода сразу же после его включения с временным разрешением порядка 40–100 мкс при разрешающей способности по длине волны 0.125 нм. При известном температурном коэффициенте центральной длины волны спектра излучения светодиода по сдвигу максимума спектра можно оперативно определить температуру перегрева гетероперехода светодиода при заданном рабочем токе и оценить тепловые параметры светодиода. Диапазон варьирования времен задержки определяется типом используемой фотоприемной КМОП-матрицы и не может задаваться произвольно, однако, учитывая простоту реализации, метод в ряде случаев является удобной альтернативой сложным инструментам для изучения динамики одномерных распределений оптической мощности.