Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0052

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0052
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"
Название доклада
Исследование компактных микролазеров с дисковой геометрией на основе квантоворазмерной активной области для устройств интегральной фотоники
Докладчик
Крыжановская Наталья Владимировна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на исследование и разработку сверхмалых источников излучения на основе новых типов низкоразмерных гетероструктур, а также разработку методов управления модами в микрорезонаторах для оптических систем передачи и обработки информации на плате.
Основными целями исследований компактных микролазеров с дисковой геометрией на основе квантоворазмерной активной области для устройств интегральной фотоники являются:
- получение значимых научных результатов для создания принципиально нового вида источника когерентного излучения в кооперации с исследовательским центром оптоэлектроники Технологического университета Тампере с использованием новых методов формирования активной квантоворазмерной области и управления параметрами лазера.
- получение новых и эффективных методов и средств создания и исследования характеристик лазеров, что в свою очередь увеличит значимость научно-технического результата и технологий до мирового уровня.
- разработка и создание экспериментального образца компактного инжекционного микролазера с дисковой геометрией на основе квантоворазмерной активной области для устройств интегральной фотоники.
- разработка и создание экспериментального образца компактного микролазера со спектральной селекцией мод и выводом излучения для достижения устойчивой одночастотной генерации при комнатной и повышенных температурах.
Актуальность и новизна исследования
Разработка и создание сверхмалых оптических излучателей для высокопроизводительных вычислительных систем привлекает огромное внимание исследователей во всем мире. Без мощных вычислительных систем не обходятся промышленность, авиация, транспорт, медицина, энергетика. Проблема повышения скорости передачи данных - ключевая в развитии информационных технологий. Единственной возможной технологией передачи большого объема данных является использование оптических межсоединений как для передачи информации между чипами, так и внутри чипа. Актуальность и значимость исследования подтверждается многочисленными исследованиями о росте скорости передачи данных на плате и росте числа компонент на плате в том числе и свидетельствующими о выполнении закона Мура для оптических интегральных схем. Лазер для передачи информации между чипами должен быть прост в изготовлении, быть компактным, потреблять малую мощность, иметь высокую температурную стабильность, узкую резонансную моду. Микрорезонаторы обладающие осевой симметрией (диски, кольца) являются одними из наиболее перспективных типов сверхмалых источников излучения. Новизна исследования заключается в следующем:
- разработана новая технология создания микродискового лазера на основе квантоворазмерной активной области с высокой температурной стабильностью для систем сверхскоростной передачи данных
- разработан новый способ селекции оптических мод в микрорезонаторах.
Описание исследования

Для создания микродисковых излучателей полупроводниковые структуры синтезированы на подложках GaAs с использованием технологии молекулярно-пучковой эпитаксии с твердотельным источником мышьяка. В качестве активной области использовались InAs/InGaAs квантовые точки (длина волны 1,3 мкм) с энергией локализации носителей в квантовых точках более 240 мэВ для обеспечения высокой температурной стабильности характеристик лазеров вплоть до 80оС и InGaAsN(Sb)  квантовые ямы (длина волны излучения 1,2-1,5 мкм). Использование InGaAsN(Sb)  квантовых ям обеспечивает высокую энергии локализации носителей и более высокое значение величины  усиления по сравнению с лазерами на квантовых точках. Для формирования высокодобротных (>10000) микрорезонаторов сверхмалых излучателей применялись различные методы пост-ростовой обработки эпитаксиальных пластин, включая фотолитографию в сочетании с ионно-лучевым травлением (Ar+) и плазмо-химическим травлением травлением. Для селекции оптических мод резонатора и направленного вывода излучения путем внесения спектрально-селективных потерь использовался метод формирования пространственных неоднородностей на поверхности микрорезонатора с помощью сфокусированного ионного пучка (focused ion beam, FIB) и осаждения материала под действием электронного пучка в присутствии материалов-прекурсоров (PtCH9).  С помощью численных методов рассчитан модовый состав микрорезонаторов для определения требуемого положения наноканавок, наноямок или наноантенн на поверхности резонатора. Исследования свойств   компактного  микродискового лазера со спектральной селекцией и выводом мод проведены с помощью метода микрофотолюминесценции. На основе p-i-n полупроводниковых гетероструктур изготовлены инжекционные микролазеры и контактные площадки, сформированы электрические контакты. Диаметр резонатора, измеренный в области залегания активной области, варьировался от 15 до 31 мкм. Верхние омические контакты к p+ GaAs были сформированы с помощью AgMn/NiAu металлизации и имели круглую форму. Нижний сплошной контакт к n+ подложке был сформирован с помощью металлизации AuGe/Ni/Au. Микролазеры устанавливались n-контактом на медный теплоотвод без пайки и принудительного охлаждения. Измерения лазерных характеристик проводились в непрерывном режиме при комнатной температуре с помощью игольчатого микрозонда, устанавливаемого на верхний металлический контакт исследуемого микролазера. 

Результаты исследования

В результате проведенного исследования разработана  технология спектральной селекции и вывода мод микролазера с дисковой геометрией  с помощью формирования на их поверхности микролазера рельефа: сфокусированным ионным лучом и осаждением материала под действием электронного пучка в присутствии материалов-прекурсоров (PtCH9). Проведено моделирование и численный расчет модового состава и распределения электромагнитного поля в микрорезонаторах со спектральной селекцией и выводом мод в зависимости от геометрии рельефа  на поверхности.  Изготовлен  экспериментальный образец компактного микродискового лазера со спектральной селекцией и выводом мод. Получено подавление мод с высокими радиальными числами в микролазерах диаметром 8 мкм со сформированной сфокусированным ионным пучком канавкой, следующей от центра диска к его периферии. Получена одночастотная генерация при комнатной температуре в микролазере диаметром 6мкм со сформированной наноантенной на боковой поверхности резонатора. Достижение одночастотной генерации в микролазерах представляет особый практический интерес. В работах [1-3] предложены различные способы селекции мод микродискового резонатора, в которых селекция мод реализуется за счет внесения дополнительных потерь для нежелательных мод. Недостатком большинства существующих способов является отсутствие селективности по отношению к радиальным модам. В настоящей работе продемонстрирован технологически несложный способ селекции мод, достигнуто увеличение коэффициента подавления боковых мод в спектрах генерации при комнатной температуре. Разработана технология изготовления экспериментального образца компактного инжекционного микродискового лазера. Получены микродисковые лазеры на подложках GaAs с  диаметром 15-31 мкм с активной областью на основе квантовых точек InAs/InGaAs, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре без принудительного охлаждения. Длина волны генерации составила около 1.27 мкм, минимальный пороговый ток 1.6 мА. Наибольшая температура, при которой наблюдалась лазерная генерация, составила 100оС для микролазеров диаметром 31 мкм, что является рекордным значением на сегодняшний день.

[1] A. Schlehahn, F. Albert, C. Schneider, S. Höfling, S. Reitzenstein, J. Wiersig, and M. Kamp, “Mode selection in electrically driven quantum dot microring cavities,” Optics Express 21, 15951 (2013)

[2] L. X. Zou, Y. Zh. Huang, X. M. Lv, X. W. Ma, J. L. Xiao, Y. D. Yang, Y. Du, Single-mode microdisk laser with two ports for heptagonal coupled mode lasing, Electron. Lett. 51(18), 1442 – 1443 (2015)

[3] D. Urbonas, A. Balčytis, M. Gabalis, K. Vaškevičius, G. Naujokaitė, S. Juodkazis, and R. Petruškevičius, “Ultra-wide free spectral range, enhanced sensitivity, and removed mode splitting soi optical ring resonator with dispersive metal nanodisks,” Optics Letters 40, 2977–2980 (2015)

Практическая значимость исследования
Основным назначением сверхмалого источника когерентного излучения на основе микродискового резонатора 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. Внедрение и использование полученных результатов возможно в промышленных предприятиях, заинтересованных в развитии новых технологий компактных светоизлучающих устройств и активной области на основе полупроводниковых гетероструктур. Такими потребителями могут быть и крупные предприятия (например, корпорация Intel, которая развивает собственное направление кремниевой фотоники, компания Hamamatsu, Egismos Technology Corporation.) и более мелкие производители, заинтересованные в улучшении параметров собственных светоизлучающих устройств (Princeton Optronics, Inc. Innolume GmbH, http://www.innolume.com/, VI Systems GmbH, http://www.v-i-systems.com/ и другие). Кроме того в получении новых знаний по теме проекта заинтересованы российские организации-производители, например, ЗАО «Коннектор Оптикс», ЗАО "Полупроводниковые приборы", ЗАО "НОЛАТЕХ", Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН, Институт аналитического приборостроения РАН и другие научные, образовательные и научно-производственные организации, проводящие исследования, образовательный процесс и производственную деятельность в области полупроводниковых нанотехнологий.