Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0051

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0051
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Название доклада
Разработка и создание одночастотных вертикально-излучающих лазеров диапазона 1250-1300нм
Докладчик
Блохин Сергей
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
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) вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1250-1300нм
2) Разработка лабораторной технологии молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур для вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1250-1300нм, их изготовление и исследования
3) Разработка лабораторной технологии изготовления кристаллов вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1250-1300нм, их изготовление и исследования
Актуальность и новизна исследования
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 поколения 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. Научные исследования и разработки в области ВИЛ с длиной волны более 1200нм широко и активно ведутся в нескольких ведущих зарубежных исследовательских центрах, а ряд ведущих иностранных компаний уже начал внедрять результаты разработок в мелкосерийное производство.В тоже время производство ВИЛ не зависимо от спектрального диапазона в РФ отсутствует вовсе. С учетом существующей политики ограничений на передачу передовых разработок в РФ, тема совместного проекта представляется крайне актуальной и стратегически важной задачей. Данный проект направлен на создание технологического задела в данном направлении.
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 длинноволновых ВИЛ.
Описание исследования

Описание методов и подходов удобно разбить на пункты согласно поставленным задачам:

1) При оптимизации реальной конструкции вертикально-излучающего лазера следует учитывать ряд принципиальных эффектов, таких как неоднородное растекание тока, оптические и
электрические потери, связанные с геометрией прибора, тепловые эффекты, а также нюансы эпитаксиального оборудования и технологические возможности парка технологического оборудования для планарной технологии изготовления приборов. Важной особенностью вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 1250-1300нм является существенное влияние потерь на свободных носителях и малое материальное усиления активной области на основе квантовых точек, в этой необходимо взаимосвязанное численное моделирование возможных приборных характеристик лазера и эпитаксиальной конструкции гетероструктуры. 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). Для уменьшения внутренних потерь использован модулированный профиль легирования структуры с расположением сильнолегированных слоев в минимуме пучности стоячей волны. Для повышения частоты отсечки фильтра низких частот, образованного элементами лазера, в приборной конструкции применены диэлектрики низкой диэлектрической проницаемостью, уменьшены размеры меза-структуры, контактные площадки расположены на нелегированной части лазера. С целью дополнительного увеличения мощности в одночастотном (т.ч. одномодовом) режиме генерации использован подход по селективному внесению оптических потерь и сбоя набега фазы для мод высокого порядка путем формирования поверхностного рельефа в сильнолегированном контактном слое внутри токовой апертуры.

2) В рамках проекта была проведена предварительная отработка технологию МПЭ-синтеза основных элементов ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм на лабораторном МПЭ-установке Riber Compact 21, а затем проведен перенос и адаптация технологии на промышленную МПЭ-установку Riber 49, позволяющую получать партию идентичных пластин в одном эпитаксиальном процессе. Особое внимание было уделено вопросу формирования активной области спектрального диапазона 1250-1300нм. Для анализа структурных и оптических характеристик как основных элементов ВИЛ, так гетероструктур ВИЛ был привлечен целый комплекс контрольно-диагностического оборудования, в том числе электронная сканирующая и просвечивающая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, спектроскопии фотолюминесценции и оптического отражения, атомно-силовая микроскопия. На данном этапе также были выбраны материалы для формирования диэлектрического РБО с учетом возможного технологического маршрута изготовления лазеров. Важным моментом стала  экспериментальная апробация синтезированных гетероструктур ВИЛ диапазона 1250-1300нм в виде изготовления тестовых излучателях с последующим проведением анализа вольт-амперных характеристик и условий получения лазерной генерации. На основании полученных результатов были выбраны наиболее оптимальные варианты конструкций гетероструктур для изготовления кристаллов вертикально-излучающих лазеров.

3) Приборная конструкция ВИЛ с внутрирезонаторными контактами представляет собой сложную меза-структуру что в значительной степени усложняет технологический процесс изготовления лазеров, в-первую очередь, из-за необходимости прецизионного травления в контактные слои (т.к. общее легирование контактных слоев необходимо снижать и использовать модулированный профиль легирования), во-вторых, и-за отдельного формирования диэлектрического зеркала (т.к. нужно минимизировать шероховатость интерфейсов, оптическую неоднородность и напряжения в слоях). В этой связи были проанализированы возможные топология и технологические маршруты изготовления тестовых кристаллов с учетом имеющегося парка оборудования. Для исследования характеристик лазеров использован целый комплекс оборудования для анализа вольт- и ватт-амперных характеристик, спектров лазерной генерации и амплитудно-частотной характеристики в малосигнальном режиме. Подготовлены соответствующие программа и методики.

 

Результаты исследования
  • Проведено математическое моделирование конструкции гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
  • Разработана эскизная КД на гетероструктуры и эскизная конструкция кристалла ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
  • Отработаны способы получения отдельных элементов гетероструктуры для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм методом МПЭ
  • Разработан набор фотолитографических масок для пост ростовой обработки гетероструктур для ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
  • Разработаны  лабораторные технологии МПЭ-синтеза гетероструктур и изготовления  тестовых  кристаллов  ВИЛ  спектрального диапазона 1250-1300нм
  • Изготовлены экспериментальные образцы гетероструктур и тестовые кристаллы ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
  • Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов гетероструктур и тестовых кристаллов ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм
  • Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов гетероструктур и тестовых кристаллов ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм

В ходе выполнения была разработана оригинальная эпитаксиальная и приборная конструкции ВИЛ спектрального диапазона 1250-1300нм с внутрирезонаторными контактами и выводным диэлектрическим РБО, где инжекция носителей заряда осуществляется через низкодобротные легированные РБО (т.н. композиционные решетки). Ключевой особенностью является применение легированных  композиционных решеток между внутрирезонаторными контактными слоями и резонатором, которые не только создают дополнительные  потенциальные барьеры для вертикального транспорта носителей на гетерограницах, что способствует  эффективному  растеканию  носителей заряда по площади токовой апертуры, но и способствуют перераспределению поля в контактных слоях с целью уменьшения поглощения на свободных носителях. Кроме того, применение сильнолегированного контактного слоя р-типа только над периферийной частью токовой апертуры позволяет снизить контактное сопротивление к слоям р-типа без изменения внутренних оптических потерь. В качестве активной области было решено использовать массив квантовых точек InAs, зарощенные слоем InGaAs, однако эпитаксиальная и приборная конструкции ВИЛ пригодны и для использования квантовых ям InGaAsN.

При отработке технологического маршрута изготовления тестовых кристаллов ВИЛ было установлено, что применение взрывной технологии нанесения многослойных диэлектрических покрытий для локального формирования диэлектрического РБО невозможно в силу механического разрушения РБО, поэтому было решено использовать плазмохимическое травление диэлектриков. Выявлена проблема механической стабильности оксидной токовой апертуры, что требует дальнейшей оптимизации конструкции апертурного слоя. Для локального удаления сильнолегированного контактного слоя в области формирования диэлектрического РБО применена технология селективного травления со стоп-слоем. 

Изготовлены тестовые кристаллы ВИЛ продемонстрировали непрерывную лазерную генерацию в одномодовом режиме (фактор подавления боковых мод более 20дБ, т.н. одночастотный режим работы) с пороговым током менее 2.5мА при комнатной температуре. 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые 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.