Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0013

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0013
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Разработка компонентной базы радиофотоники для создания современных оптических аналогово-цифровых преобразователей
Докладчик
Бугров Владислав Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка компонентной базы радиофотоники, в части полупроводниковых лазеров с пассивной синхронизацией мод (ПСМ) и фотоприемников типа PIN (ФП PIN), для производства современных оптических аналогово-цифровых преобразователей (АЦП).
Ключевыми задачами исследования являются:
- разработка научных основ проектирования компонентной базы сверхбыстродействующих радиофотонных АЦП, предназначенных для оцифровки сигналов с полосой пропускания шириной в десятки гигагерц;
- разработка технологии создания компонентной базы сверхбыстродействующих радиофотонных АЦП: лазеров с синхронизацией мод, фотоприемников;
- расчет активных оптических компонентов: фотодиодов и полупроводниковых лазеров;
- изготовление экспериментальных образцов и проведение испытаний оптических компонентов: лазеров с синхронизацией мод, фотоприемников.
Актуальность и новизна исследования
В сверхширокополосной связи и радарах высокого разрешения использование цифровой обработки сигналов является ключевым требованием. Только цифровая обработка сигналов обеспечивает существенное улучшение характеристик приборов и возможность быстрого изменения функциональности. В электронных АЦП быстродействие ограничено несколькими факторами (дрожание тактовой частоты, время установки цепей, скорость компаратора и др.) на уровне 100 ГСэмплов/сек (отсчетов в секунду) при частоте 20 ГГц. Использование фотонных АЦП уже сейчас позволяет увеличить цифровое быстродействие до 500 ГСэмплов/сек и аналоговую частоту до 100 ГГц. Поэтому разработка радиофотонного АЦП, обеспечивающего обработку и последующее преобразование СВЧ аналоговых сигналов в цифровые, является одной из ключевых задач радиофотоники в ближайшие годы.
В современных технических системах требуется задающий источник оптических импульсов, отличающихся стабильностью амплитуды и частотой повторения. Такие последовательности импульсов выполняют функции стробирования в радиофотонных АЦП и синхронизующего сигнала в системах передачи данных. Лазеры ПСМ позволяют получать оптические импульсы с частотами повторения от 5 до 250 ГГц, которые недоступны другим методам. В частности, достижение таких высоких частот повторения методами прямой токовой модуляцией лазеров или использование модуляторов на основе ниобата лития на данный момент не представляется возможным.
Описание исследования

Для создания лазера ПСМ в рамках данного проекта предполагается использовать интегральную конструкцию лазера, поскольку она минимизирует размеры устройства и помогает избежать проблем оптического согласования. Интегральное исполнение прибора должно предполагать использование модулятора на эффекте Штарка. В отличии от модуляторов Маха-Цендера, модуляторы на эффекте Штарка изготавливаются на том же волноводе, что и полупроводниковый лазер и управляются приложенным к ним напряжением обратной полярности. Длина модулятора на эффекте Штарка существенно меньше, чем длина модуляторов Маха-Цендера, что упрощает подведение модулирующего СВЧ сигнала за счет меньшей паразитной емкости. Предлагаемая конструкция позволит создать лазер ПСМ, излучающий импульсы света пикосекундной длительности с частотой следования импульсов 10-20 ГГц. Генерация сверхкоротких импульсов реализуется при приложении постоянного тока, что значительно проще, чем использование прямой модуляции лазеров или электрооптической модуляции излучения. Предполагается создание двухсекционного полупроводникового лазера, состоящего из собственно лазера с РБО на подложках InP, а также насыщающегося поглотителя. Активный слой лазера РБО будет содержать несколько InGaAsP квантовых ям, разделенных InGaAsP барьером. Лазерные структуры с квантовыми ямами будут изготовлены методом МПЭ. Метод МПЭ обеспечивает высокую точность изготовления эпитаксиальных слоев при росте лазерных структур. Высокая точность изготовления структур позволяет контролировать положение линии генерации лазеров и изготавливать структуры с туннельно-связанными квантовыми ямами.

Для создания современных аналоговых коммуникационных систем для удаленных СВЧ антенн, фазированных антенных решеток и фотонных систем АЦП необходимы фотоприемные устройства с малым уровнем нелинейных искажений и с большим динамическим диапазоном. ФП PIN поглощает входящее оптическое излучение и преобразовывает его в электрический заряд. Однако нелинейные искажения, возникающие вследствие теплового нагрева, экранирования и скопления носителей заряда, существенно ограничивают области применения оптоэлектронных систем с фотоприемниками традиционной конструкции. Для ФП PIN при высокой входной оптической мощности характерны эффекты насыщения. Нелинейные искажения, возникающие при мощном сигнале, могут быть уменьшены посредством увеличения площади фотоприемника и распределения фототока равномерно по большей площади. ФП PIN большой площади могут обеспечивать высокий уровень выходного сигнала, но в тоже время уступать по быстродействию приборам меньшей площади. ФП PIN малой площади обеспечивают более высокое быстродействие, но уровень выходного сигнала при этом снижается. В результате выполнения проекта планируется разработать и создать высокочастотный фотоприёмник на основе полупроводниковых гетероструктур InP/InGaAs/InAlAs.

Результаты исследования

Разработана самосогласованная математическая модель и выполнено математическое моделирование PIN фотоприемников и лазеров с пассивной синхронизацией мод. Математическая модель фотоприемников и лазеров позволяет выполнить оптимизацию их параметров с целью создания приборов с улучшенными характеристиками.

Математическая модель СВЧ согласования элементов с трактом 50-Ом построена на основании замещения диода его малосигнальной эквивалентной схемой. На основе математической модели создается структура для трехмерного электромагнитного моделирования, в которой учитываются технологические особенности реализации согласующих цепей и производится оптимизация рассчитанных элементов согласования.

В настоящее время для изготовления быстродействующих ФПPIN на основе гетероэпитаксиальных структур InxGa1-xAs/InP применяются различные мезовые конструкции с применением планарной технологии изготовления полупроводниковой элементной базы. Применение такого рода конструкций позволяет обеспечить малые значения емкости ФПPIN и высокое быстродействие. Кроме того, применение мезовых конструкций с вводом излучения через верхний приконактный слой p+-InGaAs, обладает несомненным преимуществом с точки зрения технологии изготовления, которая достаточно хорошо развита и обеспечивает выполнение требований по электрофизическим и оптическим характеристикам, надежности изделия и обеспечивает реализацию большого выхода годных кристаллов.

Кристалл ФПPIN предполагается выполнить в конструктивном исполнении с наличием двух мез, формированием омических контактов к приконтактным слоям InGaAs p- и n- типа проводимости, диэлектрической защитой двухмезовой конструкции и формированием контактных площадок с выводом по полуизолирующей подложке InP. Применение конструкции такого типа позволяет существенно унифицировать технологический маршрут изготовления кристаллов. Предполагаемая к реализации конструкция быстродействующего ФПPIN позволит выполнять технологические операции групповым методом с использованием нескольких пластин с высоким выходом годных по электрофизическим и оптическим характеристикам.

В основе конструкции лазера ПСМ лежит полосковый волновод, который необходим для локализации протекания тока в структуре. Омические контакты в такой структуре наносятся на верхнюю грань волновода и нижнюю сторону подложки. Для создания такого волновода исходная гетероструктура подвергается травлению на глубину большую, чем толщина верхних легированных слоев, чем и обеспечивается отсутствие растекания тока. Боковые сколы кристалла играют роль зеркал резонатора Фабри-Перо. 

Практическая значимость исследования
Использование радифотонной элементной базы открывает возможности для расширения функционала существующих СВЧ систем. Большой интерес к радиофотонным системам традиционно связан с возможностью их военных применений для современных систем связи и радиолокации. В последнее время стали очевидны возможности их гражданских применений в распределенных сотовых, беспроводных и спутниковых сетях, аэродромных антенных системах, обработке сигналов и визуализации. Использование радиофотонных систем в беспроводных сетях (гибридные радиофотонные системы) становится ключевой технологией для обеспечения надежного функционирования сложных беспроводных сетей будущего поколения.
Постер

Poster_ITMO_v2.ppt