Broadband Superluminescent Diodes at 2 µm Wavelength Range for Optical Coherence Tomography

Abstract

Optinen koherenssitomografia (OCT) tunnetaan laajasti ei-invasiivisena optisena kuvantamismenetelmänä. OCT on vaikuttanut merkittävästi biolääketieteellisen diagnostiikan alalla, ja sitä hyödynnetään yhä enemmän tutkimustyökaluna myös ei-biolääketieteellisissä sovelluksissa, joissa tarvitaan uusia toiminta-aallonpituuksia. Tässä väitöskirjassa esitetään kattava tutkimus galliumantimonidiin (GaSb) perustuvien laajakaistaisten superluminesenssidiodien (SLD) suunnittelusta, valmistuksesta ja karakterisoinnista 2 µm aallonpituusalueella erityisesti OCT-kuvantamista varten. Laajemmasta näkökulmasta tutkimus vastaa kasvavaan tarpeeseen kehittää GaSb-pohjaisia valonlähteitä, jotka toimivat lyhytaaltoisen infrapunan (SWIR) ja keski-infrapunan (mid-IR) alueilla.

Tämän työn motivaationa ovat OCT-kuvantamisen edut pidemmillä aallonpituuksilla, joilla optinen sironta vähenee merkittävästi ja kuvantamissyvyys sekä kontrasti paranevat, erityisesti näytteissä, joissa on alhainen vesipitoisuus tai korkea taitekerroin. Verrattuna pidemmillä aallonpituuksilla toimiviin nykyisiin huipputason OCT-järjestelmiin, jotka perustuvat kalliisiin ja tilaa vieviin superjatkumolähteisiin, GaSb-pohjaiset puolijohdevalonlähteet ovat kompakteja ja kustannustehokkaita, mahdollistaen OCT-teknologian laajemman käyttöönoton uusissa sovelluksissa.

Tässä väitöskirjassa esitellään uusi suunnittelustrategia, joka perustuu mitoiltaan epäsymmetrisiin kvanttikaivoihin (QW) GaSb-pohjaisissa heterorakenteissa. Strategian avulla saavutetaan ennätyksellisen laajakaistainen vahvistettu spontaani emissio (ASE) 2.0 µm aallonpituusikkunassa, samalla kun optinen teho on korkea ja spektriprofiilit tasaisia. Tällaisia laajakaistaisia matalan koherenssin valonlähteitä käytettiin aikatasossa toimivan OCT-kuvantamisen toteuttamiseen. Käytännöllisen valonlähteen esittämisen lisäksi työ syventää ymmärrystä optisen vahvistuksen suunnittelusta keski-infrapunan III–V-puolijohteissa. Työssä osoitetaan, että laajakaistainen vahvistus voidaan saavuttaa pelkästään kvanttikaivojen paksuuden ja jännityksen optimoinnilla ilman koostumuksellista epähomogeenisuutta, mikä yksinkertaistaa epitaksiaalista kasvatusprosessia ja näin mahdollistaa toistettavan valmistuksen.

Tutkimus vahvistaa GaSb:in skaalautuvaksi alustaksi seuraavan sukupolven laajakaistaisille valonlähettimille ja vahvistimille 2–3 µm aallonpituusalueella, mahdollistaen kompaktit ja korkean suorituskyvyn valonlähteet OCT-kuvantamiseen, spektroskopiaan, ympäristön seurantaan sekä vapaassa tilassa tapahtuvaan tiedonsiirtoon.

Optical coherence tomography (OCT) is widely known as a non-invasive optical imaging modality. OCT has made a lasting impact in the field of biomedical diagnostics and is increasingly pursued as an investigation tool for non-biomedical applications, a transition often linked to operation at new wavelength regions. To this end, this doctoral dissertation presents a comprehensive investigation into the design, fabrication, and characterization of broadband gallium antimonide (GaSb)–based superluminescent diodes (SLDs) operating at the 2 µm wavelength band, specifically tailored for OCT. From a broader perspective, the research addresses the growing demand for GaSb-based light sources operating in the short-wave infrared (SWIR) and mid-infrared (mid-IR) range.

The motivation for this work originates from the advantages of OCT imaging at longer wavelengths, where optical scattering is significantly reduced and imaging depth and contrast are improved, particularly in samples with low water content or high refractive indices. Compared to state-of-the-art OCT at longer wavelengths relying on expensive and bulky supercontinuum sources, GaSb-based semiconductor light sources are compact and cost-effective, enabling a larger penetration of OCT technology to new applications.

This thesis introduces a new design strategy based on dimensionally asymmetric quantum wells (QWs) in GaSb-based heterostructures to achieve record-broadband amplified spontaneous emission (ASE) in 2.0 µm wavelength window with high optical power and smooth spectral profiles. Such broadband low coherence sources were employed to perform time-domain OCT imaging. Beyond demonstrating a practical light source, this work advances the understanding of gain engineering in mid-IR III–V semiconductors. It shows that broadband gain can be realized purely through QW thickness and strain optimization, avoiding compositional inhomogeneity and simplifying epitaxial growth for reproducible manufacturing.

The research validates GaSb as a scalable platform for next-generation broadband emitters and amplifiers operating at the 2–3 µm wavelength region, enabling compact and high-performance light sources for OCT, spectroscopy, environmental sensing, and free-space communication.