Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание одночастотных вертикально-излучающих лазеров диапазона 1250-1300нм

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
полупроводниковый вертикально-излучающий лазер, одночастоное излучение, молекулярно-пучковая эпитаксия, оптические линии связи, радиофотоника

Цель проекта:
В последние годы особое внимание уделяется вопросу разработки компактных, маломощных, одночастотных лазеров на основе вертикального микрорезонатора, т.н. вертикально-излучающих лазеров, с длиной волны более 1200нм для нового полонения внутрисистемных оптических каналов на базе «кремниевой фотоники» (silicon photonics) и аналоговых передатчиков ВЧ/СВЧ-сигнала по оптоволокну в телекоммуникационных системах связи стандарта «радио по волокну» (radio on fiber), а также в перспективных функциональных элементах микроволной фотоники (microwave photonics) специального назначения. Производство длинноволновых ВИЛ в РФ отсутствует. Данный проект направлен на создание технологического задела в данном направлении. Целью проекта является разработка базовых методов создания одночастотных вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) диапазона 1250-1300нм, в том числе разработка эпитаксиальной конструкции гетероструктуры ВИЛ, приборной конструкции кристаллов ВИЛ, лабораторной технологии молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) гетероструктур ВИЛ, лабораторного технологического процесса пост-ростовой обработки гетероструктур ВИЛ, изготовление и исследование характеристик кристаллов ВИЛ, для применения в цифровых оптических каналах передачи данных и перспективных устройствах обработки аналоговых ВЧ и СВЧ-сигналов по волоконным линиям связи.

Основные планируемые результаты проекта:
Предполагается, что благодаря международной кооперации с Центром нанофотоники Технического университета Берлина будут получены следующие основные научные и научно-технические результаты:
1) Разработаны варианты эпитаксиальной конструкции и методы контроля/диагностики характеристик гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
2) Разработана лабораторная технология молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм и проведена экспериментальная апробация разработанных конструкций гетероструктур (анализ условий получения лазерной генерации в тестовых излучателях)
3) Разработана приборная конструкция кристаллов одночастотных ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм, учитывающая вопросы обеспечения селекции модового состава микрорезонатора и повышения быстродействия лазера
4) Разработан маршрут, топология фотолитографических масок и соответствующий лабораторный технологический процесс пост-ростовой обработки гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
5) Изготовлены экспериментальные образцы кристаллов ВИЛ, удовлетворяющие требованиям технического задания

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Экспериментальные образцы гетероструктур для вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1250-1300нм должны иметь следующие основные технические характеристики:
- материал эпитаксиальных слоев – In(x)Al(1-x-y)Ga(y)As;
- среднее значение резонансной длины волны и/или спектральное положение центра полосы отражения (по уровню 50%) в диапазоне (1250-1300)±5нм при комнатной температуре*;
- допустимое отклонение от проектного значения резонансной длины волны и/или спектральное положение центра полосы отражения в пределах площади подложки - не более ±15нм*;
- плотность поверхностных дефектов с линейными размерами более 1 мкм – не более 1000см-²
*параметр уточняется на этапе экспериментальной апробации разработанных конструкций гетероструктур

Экспериментальные образцы кристаллов вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1250-1300нм должны иметь следующие основные технические характеристики:
- непрерывный режим работы;
- работа без принудительного охлаждения;
- пороговый ток не более 2,5мА;
- средняя мощность лазерного излучения не менее 0,5мВт;
- длина волны лазерного излучения в диапазоне (1250-1300)±5нм;
- отношение максимумов сигналов основной генерируемой моды и мод высшего порядка, измеренное по спектральной характеристике лазера не менее 20дБ;
- частота модуляции по уровню 3дБ, измеренная по амплитудно-частотной характеристике лазера, не менее 2.5ГГц

Для достижения цели настоящего проекта необходимо решить ряд взаимосвязанных задач:
1) Разработка эпитаксиальной структуры (т.е. конструкции гетероструктуры) и приборной конструкции (т.е. конструкции кристалла) ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
2) Разработка лабораторной технологии молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм, их изготовление и исследования
3) Разработка лабораторной технологии изготовления кристаллов ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм, их изготовление и исследования

Тесное сотрудничество с иностранным партнером позволит снять пробелы квалификации исполнителей проекта с российской стороны в области планарной технологии изготовления быстродействующих ВИЛ и способах диагностики динамических характеристик лазеров, и, тем самым, поможет не только выполнению конечной цели проекта, но и заложить основы для дальнейших работ по разработке отечественной промышленной технологии изготовления одночастотных/быстродействующих ВИЛ ИК-диапазона.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые одночастотные ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм могут быть использованы как для цифровой передачи данных по оптоволокну в широкополосных телекоммуникационные сетях передачи данных стандарта FTTx или волноводам (кремниевая фотоника) в меж- и внутрисистемных оптических каналах высокоскоростных и производительных информационно-вычислительных систем, так и для аналоговой передачи СВЧ-сигнала по оптоволокну в телекоммуникационных системах связи стандарта «радио по волокну» и перспективных функциональных элементах радиофотоники для радиолокационных систем.

Наряду с экспериментальной апробацией кристаллов одночастотных ВИЛ лазеров спектрального диапазона 1250-1300нм в функциональных устройствах телекоммуникации и радиофотоника, альтернативным вариантом использования ожидаемых научных и научно-технических результатов проекта является аккумуляции опыта и знаний иностранного партнера в области планарной технологии ВИЛ ИК-диапазона с последующей переносом в отечественный научно-технологический комплекс и постановкой опытно-конструкторской работы с привлечением отечественным промышленных организаций, заинтересованных в развитии данной технологии. Интерес к настоящим разработкам проявляют ЗАО «Центр ВОСПИ», ООО «Коннектор Оптикс», ОАО «ОКБ Планета», ЗАО «РТИ-Радио», VI Systems GmbH (Германия).

Международная кооперация с иностранным партнером в рамках данного проекта не только поможет выполнению конечной цели проекта и получению ожидаемых научных и научно-технических результатов за счет доступа к современному технологическому и исследовательскому оборудованию, но также позволит поднять квалификацию исполнителей проекта с российской стороны в области планарной технологии ВИЛ за счет обмена научно-техническими знаниями и организации стажировок на оборудовании иностранного партнера. В свою очередь иностранный партнер также заинтересован в выполнении совместного проекта поскольку ведет собственные исследования в области повышения быстродействия и энергоэффективности оптических внутри- и межсистемных соединений на основе ВИЛ. Все это должно способствовать углублению сотрудничества между двумя организациями и популяризации результатов настоящего проекта за рубежом.

Текущие результаты проекта:
1. Проведено математическое моделирование конструкции гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм.
Рассмотрены варианты конструкцией с инжекцией носителей через легированные распределенные брэгговские отражатели (РБО), через внутрирезонаторные контакты или через композитные РБО. Малый фактор оптического ограничения обуславливает высокие требования к отражательной способности РБО, которые крайне сложно достичь в случае легированных РБО из-за высоких потерь на свободных носителях (особенно в слоях р-типа). Проанализированы различные варианты конструкции вертикального оптического микрорезонатора с учетом поглощения в собственном полупроводнике и поглощения на свободных носителях.

2. Разработана эскизная КД на гетероструктуры для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм.
В качестве базовой конструкции ВИЛ выбрана геометрия лазера с внутрирезонаторными контактами и нелегированными/диэлектрическими РБО для эффективной локализации поля стоячей волны в оптическом микрорезонаторе. Применен модулированный профиль легирования донорами и акцепторами (расположение сильнолегированных слоев в минимуме пучности стоячей волны)для минимизации приборных сопротивлений, а также уменьшения высоты внутренних барьеров при сохранении низких внутренних потерь. Состав толщины и состав слоев полупроводникового РБО и микрорезонатора выбраны для обеспечения высокой отражательной способности нижнего зеркала и для попадания резонансной длины волны в заданной спектральный диапазон, соответственно.

3. Разработана эскизная конструкция кристалла ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм (силами иностранного партнера).
Приборная конструкция лазера учитывает нюансы эпитаксиальной конструкции гетероструктуры ВИЛ. Выводное диэлектрическое РБО формируется при изготовлении кристаллов ВИЛ. С целью повышения частоты отсечки фильтра низких частот контактные площадки формируются на диэлектрике низкой диэлектрической проницаемостью, а размеры меза-структуры минимизированы. С целью поиска оптимальных конструктивных параметров кристалла ВИЛ в топологию заложены вариации размеров меза-структуры, верхнего зеркала, токовой и оптической апертуры.

4. Отработаны способы получения отдельных элементов гетероструктуры для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм методом МПЭ.
Работы выполнялись на лабораторной МПЭ-установке Riber Compact 21. В качестве активной области для данного спектрального диапазона выбраны квантовые точки InAs, зарощенные слоем InGaAs. Предложены подходы для прецизионной калибровки (допустимая погрешность не более 1.5%) толщин и состава слоев РБО и микрорезонатора.

5. Ведутся работы по разработке лабораторной технологической инструкции на технологию МПЭ-синтеза гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм.
Адаптация технологических параметров роста и способов получения отдельных элементов гетероструктуры ВИЛ под промышленную МПЭ-установку Riber49.

6. Ведутся работы по разработке набора фотолитографических масок для пост ростовой обработки гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм (силами иностранного партнера).
Топология фотолитографических масок разрабатывается с учетом приборной и эпитаксиальной конструкции ВИЛ и техническим возможностей имеющегося пост-ростового оборудования.