Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование компактных микролазеров с дисковой геометрией на основе квантоворазмерной активной области для устройств интегральной фотоники

Номер контракта: 14.616.21.0052

Руководитель: Жуков Алексей Евгеньевич

Должность: Проректор по учебной работе

Организация: федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
микродисковый лазер, микрокольцевой лазер, квантовые точки, квантовая яма, управление модовым составом микролазера

Цель проекта:
Проект направлен на разработку сверхмалых источников когерентного излучения обладающих низким порогом лазерной генерации, высокой эффективностью, температурной стабильностью характеристик, контролируемым модовым составом и направленным выводом излучения с возможностью интеграции с кремниевой фотоникой. Целью выполнения исследований является: 1. Разработка и создание экспериментального образца компактного инжекционного микролазера с дисковой геометрией на основе квантоворазмерной активной области для устройств интегральной фотоники. 2. Разработка и создание экспериментального образца компактного микролазера со спектральной селекцией мод и выводом излучения для достижения устойчивой одночастотной генерации при комнатной и повышенных температурах.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта :
- Будет разработана новая светоизлучающая активная область в системе материалов InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs
- будет разработана новая технология создания микродискового лазера на основе квантоворазмерной активной области с высокой температурной стабильностью для систем сверхскоростной передачи данных. Будет реализовано увеличение предельной температуры (по крайней мере, до 80ºС), при которой сохраняется лазерная генерация в сверхмалых лазерных излучателях.
На основе уникальных III-V полупроводниковых гетероструктур разработанных и синтезированных силами исследовательского центра оптоэлектроники Технологического университета Тампере будет разработан и изготовлен экспериментальный образец компактного инжекционного микродискового лазера, конструкция которого позволит обеспечить рекордные параметры работы лазера:
- пороговый ток менее 30мА
- работа в непрерывном режиме при повышенных температурах более 50 градусов Цельсия
- Удельное тепловое сопротивление не более 0,005 оС•см2/Вт.
- диаметр микролазера не более 50 мкм
- добротность лазера более 8000
- излучение в области прозрачности кремния, длина волны более 1100 нанометров.
- интегрируемость отдельных компонентов, благодаря планарной реализации.

- будет разработан новый способ селекции оптических мод в микрорезонаторах. Будут развиты новые методы селекции оптических мод и направленного вывода излучения путем внесения спектрально-селективных потерь за счет формирования пространственных неоднородностей на поверхности микрорезонатора с помощью сфокусированного ионного пучка (focused ion beam, FIB). Разработанный оригинальный метод для спектральной селекции и вывода мод излучения с помощью формирования на их поверхности рельефа сфокусированным ионным лучом и осаждением материала под действием электронного пучка в присутствии материалов-прекурсоров (PtCH9) позволит получить:
- одночастотную генерацию при комнатной и повышенных температурах с коэффициентом подавления боковых мод более 10дБ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Для решения задач проекта, будут использованы следующие методы и подходы. Полупроводниковые структуры, используемые для создания излучателей, будут синтезированы на подложках GaAs эпитаксиальными методами силами исследовательского центра оптоэлектроники Технологического университета Тампере с использованием новых методов формирования активной квантоворазмерной области. Преимущественно будет использована технология молекулярно-пучковой эпитаксии с твердотельным источником мышьяка. В зависимости от конкретных применений сверхмалых источников излучения будут широко применяться методы конструирования необходимых параметров массивов квантовых точек в активной области. Для достижения высокого усиления с микролазерах с большими потерями излучения на выход будут использоваться массивы квантовых точек высокой плотности, сформированные на разориентированных подложках. Для формирования сверхмалых излучателей будут применяться различные методы пост-ростовой обработки эпитаксиальных пластин, включая фотолитографию, лазерную литографию и электронно-лучевую литографию в сочетании с ионно-лучевым травлением (Ar+), плазмо-химическим травлением, травлением сфокусированным ионным пучком (Ga+) и жидкостным химическим травлением. Для формирования оптических микрорезонаторов будет, в том числе, использоваться метод селективного окисления слоев AlGaAs с высоким содержанием алюминия с целью формирования оптического ограничения со стороны подложки. Проведена оптимизация конструкции структур с целью повышения температурной стабильности характеристик. На основе p-i-n структур будут изготовлены оптические микрорезонаторы и контактные площадки, сформированы электрические контакты, проведены исследования характеристик оптических излучателей в режиме инжекционной накачки. Будут развиты новые методы селекции оптических мод и направленного вывода излучения путем внесения спектрально-селективных потерь за счет формирования пространственных неоднородностей на поверхности микрорезонатора с помощью сфокусированного ионного пучка (focused ion beam, FIB). Достигнута одночастотная лазерная генерация (коэффициент подавления боковых мод более 20 дециБелл) вмикрорезонаторах с размерами 3-7 микрометров. Для селекции определенных оптических мод, в том числе для создания одномодовых лазеров на поверхности микрорезонаторов будут вытравливаться наноканавки и наноямки, их размер и положение будет определяться теоретическими расчетами. Также будет исследована возможность реализации одномодовых лазеров за счет использования активной области со спектром усиления, ширина которого меньше межмодового расстояния.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основным назначением разрабатываемого сверхмалого источника когерентного излучения является передача данных внутри интегральной схемы в высокопроизводительных вычислительных системах. Область использования таких вычислительных систем очень широка и определяется развитием и повсеместным распространением информационных технологий: промышленность, связь, авиация, транспорт, медицина, энергетика и т.д.
Разработанный в данном проекте сверхмалый источник когерентного излучения на основе нового типа инжекционного микролазера, обладающего осевой симметрией с планарным выводом излучения будет обладать рядом конкурентных преимуществ по сравнению с существующими аналогами:
- возможность эксплуатации при повышенных температурах (до 80 градусов Цельсия)
- высокая температурная стабильность рабочих характеристик, в том числе благодаря уникальным свойствам светоизлучающей активной области полученной силами исследовательского центра оптоэлектроники Технологического университета Тампере
- малая занимая площадь благодаря осесимметричной геометрии лазера
- низкий пороговый ток, благодаря оптимизированной технологии создания лазера и уникальным свойствам светоизлучающей активной области.
Замена имеющихся систем обработки и передачи данных (в том числе в датацентрах) созданные с использованием разработанного сверхмалого источника когерентного излучения приведут к ряду социально-экономических эффектов:
- создание нового типа вычислительных систем на основе оптической передачи данных. Рынок таких систем огромен и растет вместе с развитием информационных технологий.
- уменьшение энергопотребления. Например, в год Google потребляет более 2,5 тераватт-часов электроэнергии и в последнее время дата-центры строятся в регионах с прохладным климатом для повышения их энергоэффективности. Кроме того в современных компонентах сетей передачи данных необходимым является установка кондиционеров с хладагентами или воздухо-водяных теплоообменников. Использование энергоэффективных и высокоскоростных оптоэлектронных устройств позволить избежать потерь на электрических межсоединениях.
- снижение нагрузки на окружающую среду и улучшение экологической обстановки вследствие уменьшения энергопотребления.
В настоящее время имеются все экономические условия для перехода к более производственным системам обработки и передачи данных. Производственных цикл может быть осуществлен на оптоэлетронных предприятиях с развитой кремниевой технологией.
Помимо этого, развитые в ходе проекта научно-технологические подходы и решения востребованы для решения многих родственных задач физики и технологии полупроводниковых гетероструктур (солнечные элементы, быстродействующие вертикально-излучающие лазеры, фотоэлектрические преобразователи лазерного излучения), где требуется высокое оптическое и структурное совершенство наноразмерной активной области, высокое оптическое усиление, прецизионные методы пост-ростовой обработки, гибридная и прямая интеграция прямозонных полупроводниковых соединений А3В5 и кремния.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
Выполнено обоснование и выбор направления исследований с целью определения оптимального варианта направления исследований.
Разработана технология для спектральной селекции и вывода мод микролазера с дисковой геометрией.с помощью формирования на поверхности рельефа: сфокусированным ионным лучом и осаждением материала под действием электронного пучка в присутствии материалов-прекурсоров (PtCH9). Выполнены патентные исследования. Разработана технология синтеза гетероструктур с квантовыми точками (In,Ga)As, излучающих в спектральном диапазоне 1.2-1.3 микрона, InGaAs квантовыми точками повышенной поверхностной плотности (длина волны 1,1 микрона), InGaAsNSb квантовыми ямами (длина волны 1,5 микрона) для микродисковых лазеров.