Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0100

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0100
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Разработка технологии изготовления фотонных интегральных схем лазеров с пассивной синхронизацией мод и фотоприемников спектрального диапазона 1300-1550 нм
Докладчик
Одноблюдов Максим Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является получение значимых научных результаты в области физики и технологии изготовления макетов кристаллов лазеров с пассивной синхронизацией мод (ПСМ) и высокомощных, быстродействующих pin фотоприемников (ФПPIN) спектрального диапазона 1300-1550 нм на основе полупроводниковых наногетероструктур фосфид индия - твердый раствор InGaAs – твердый раствор AlInGaAs (InP/InGaAs/AlInGaAs).
Задачами проекта:
1. Компьютерное моделирование конструкций макетов кристаллов лазеров ПСМ и высокомощных, быстродействующих ФПPIN на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs/AlInGaAs.
2. Разработать технологическую документацию на процесс изготовление макетов лазеров ПСМ и ФПPIN на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs/AlInGaAs и на основании данной документации отработать основные технологические процессы.
3. Разработать программу и методики исследовательских испытаний макетов кристаллов лазеров ПСМ и ФПPIN.
4. Провести испытания характеристик макетов кристаллов лазеров ПСМ и ФПPIN на основании разработанных программы и методик исследовательских испытаний.
5. По результатам исследовательских испытаний характеристик, провести корректировку технологической документации документацию на процесс изготовление макетов лазеров ПСМ и ФПPIN на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs/AlInGaAs.
6. Изготовить макеты кристаллов лазеров ПСМ и ФПPIN спектрального диапазона 1300-1550 нм на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs/InAlAs.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время существует острая необходимость в разработке и создании недорогих, эффективных и сверхкомпактных источниках и приёмниках лазерного излучения с длиной волны 1300-1550нм, пригодных также для использования в качестве неохлаждаемых источников и приемниках света в высокоскоростных (полоса модуляции более 10 ГГц) аналогово-цифровых оптических линиях связи, а также устройств кремниевой фотоники.
Таким требованиям отвечают лазеры с пассивной синхронизацией мод, позволяющие получать сверхкороткие импульсы длительностью в несколько пикосеукунд и имеющие высокую стабильность частоты повторения импульсов. ПСМ может быть реализована в лазерах различных видов - газовых, на красителях, на полупроводниковых гетероструктурах. Однако последние имеют преимущества по сравнению с другими, такие как: небольшой размер, малое энергопотребление и низкие пороговые токи. Также полупроводниковые лазеры могут быть легко встроены в интегральные схемы.
В тоже время производство таких компонентов в РФ отсутствует, в первую очередь по причине неразвитости технологии соответствующих полупроводниковых наногетероструктур. С учетом существующей политики ограничений на передачу передовых разработок в РФ, тема проекта представляется крайне актуальной и стратегически важной задачей.
Описание исследования

Модель для вычисления режимов работы лазера с пассивной синхронизацией мод описывает изменение электромагнитного поля во времени и пространстве и основываются на уравнениях для бегущей волны, которые нужно дополнить граничными и начальными условиями. В приближении медленно меняющихся амплитуд электромагнитного поля в пространстве-времени, модель позволяет определить концентрацию фотонов и электронов, а также основные характеристики лазера ПСМ: частоту повторения импульсов, форму и ширину импульсов, пиковую мощность. Модель является универсальной и может применяться для лазеров ПСМ как на квантовых ямах, так и на квантовых точках. 

Моделирование ФПPIN было проведено с помощью прикладного пакета ADS. На первом этапе была построена эквивалентная схема ФПPIN как СВЧ-прибора для оценки полосы пропускания (параметр S21) по уровню 3 дБ. Также был оценен ток утечки.

В ходе выполнения ПНИ были разработаны комплекты технологической документации на технологические процессы изготовления макетов кристаллов ФП PIN и лазера ПСМ в соответствии с ГОСТ 3.1105-2011 «Формы и правила оформления документов общего назначения» и  ГОСТ 3.1119-83 «Единая система технологической документации. Общие требования к комплектности и оформлению комплектов документов на единичные технологические процессы». Разработанная технологическая документация состоит из следующих технологических документов: титульный лист; маршрутная карта процесса; операционные карты контроля; карты эскизов; операционные карты отдельных технологических процессов; лабораторные инструкции на отдельные технологические операции; ведомость оборудования.

Согласно методически указаниям по оформлению отчетной документации к мероприятиям и проектам, реализуемым в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы» были разработаны программы и методики исследовательских испытаний макетов кристаллов ФП PIN и лазеров ПСМ.

Результаты исследования

Для проведения компьютерного моделирования кристаллов лазеров ПСМ на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs/AlInGaAs была создана уникальная программа по расчету режима пассивной синхронизации мод, отражающая физические особенности такого процесса. При этом длительность импульса лазерного излучения  составила 2 пс, мощность – 9,4 мВт при частоте следования импульсов 10 ГГц. Также была определена оптимальная длина секции поглощения (абсорбера) при которой в режиме пассивной синхронизации мод в резонаторе остается лишь одна продольная мода – 12% от общей длины резонатора. Исходя из условия существования одной поперечной моды, были рассчитаны оптимальные топологические параметры – ширина полоска составила 2,5 мкм, глубина травления мезы – 2 мкм. Возможность получения данных параметров при помощи теоретического моделирования позволило провести оптимизацию дизайна лазера до его изготовления.

Компьютерное моделирование кристаллов ФПPIN на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs было проведено с помощью прикладного пакета ADS. По оценке полосы пропускания (параметр S21) был оценен диаметр мезы ФПPIN, который составил 22 мкм.

Разработаны комплекты технологической документации на технологические процессы изготовления макетов кристаллов ФП PIN и лазера ПСМ. В процессе разработки технологической документации были отработаны следующие технологические процессы: прецизионного сухого травления многослойных гетероструктур; планаризации диэлектриком поверхности полупроводника; формирования омических контактов к полупроводниковым контактным слоям; усиление омических контактов с помощью гальванического осаждения металлизации; утонения полупроводниковых подложек.

Разработаны программы и методики исследовательских испытаний макетов кристаллов ФП PIN и лазеров ПСМ.

По разработанным программа и методикам исследовательских испытаний были проведены испытания макетов ФП PIN и лазеров ПСМ. По результатам испытаний были доработаны комплекты технологической документации на технологические процессы изготовления макетов кристаллов ФП PIN и лазера ПСМ.

Изготовлены макеты кристаллов лазеров ПСМ (20 штук) и ФПPIN (20 штук) спектрального диапазона 1300-1550 нм на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs/InAlAs.

Практическая значимость исследования
Результаты исследования могут быть использованы в следующих сферах:
1. Высокоскоростная цифровая волоконно-оптическая связь.
Трафик данных с большим количеством видеоизображений возрастает, причем необходима передача информации с гарантированной доставкой и минимальными задержками. Наиболее успешно это достигается применением волоконно-оптических каналов передачи информации. Один из подходов к созданию более высокопроизводительных волоконно-оптических систем следующего поколения это увеличения оптической мощности передаваемой по волокну и приходящей на фотодетектор при сохранении ширины полосы пропускания. Использование разрабатываемых кристаллов высокочастотных и высокомощных фотодетекторов спектрального диапазона 1300-1550 нм на основе полупроводниковых наногетероструктур InP/InGaAs/AlInGaAs, и кристаллов лазеров с пассивной синхронизацией мод спектрального диапазона 1300-1550 нм позволит реализовать новое поколение каналы связи со скоростями более 10 Гбит/с.
2 Радиофотоника.
Радиофотоника, изучающая взаимодействие оптических и СВЧ-сигналов, позволяет создавать электронные устройства с параметрами, недостижимыми традиционными средствами. Разрабатываемые лазеры ПСМ и высокочастотные, высокомощные ФПPIN спектрального диапазона 1300-1550 нм могут найти применение в радиофотонных АЦП, сверхширокополосных аналоговых линиях связи на ВОЛС, линиях задержки, в фильтрах, генераторах и другие устройства СВЧ-диапазона. Такие устройства находят применение в системах радиоэлектронной борьбы, радиоэлектронного противодействия и в радиолокационных станциях. Также открываются широкие возможности для создания позиционно разнесенных систем радиолокации, антенных систем, удаленных от пунктов управления и обработки информации, систем разводки гетеродинных, контрольных и синхронизирующих сигналов в крупноапертурных фазированных антенных решетках.