Геометрические параметры лазерных диодов с пассивной синхронизацией мод спектрального диапазона 1530-1565 нм тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат наук Михайловский Григорий Александрович

• Михайловский Григорий Александрович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Михайловский Григорий Александрович

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Радиофотоника

1.2 Оптические аналого-цифровые преобразователи

1.3 Технологические платформы для построения фотонных интегральных схем

1.3.1 Активные оптические компоненты на фосфиде индия

1.4 Полупроводниковые лазеры с пассивной синхронизацией мод

1.4.1 Принцип синхронизации мод

1.4.2 Пассивная синхронизация мод в полупроводниковых лазерах

1.4.3 Конструкции полупроводниковых лазеров с пассивной синхронизацией мод

1.5 Моделирование лазеров с пассивной синхронизацией мод

1.5.1 Механизмы формирования ультракоротких импульсов в лазерах с пассивной синхронизацией мод

1.5.2 Модели полупроводниковых лазеров с пассивной синхронизацией мод

1.5.3 Локальные скоростные уравнения

1.5.4 Модели лазеров с пассивной синхронизацией мод в частотном представлении

Глава 2 Методы определения геометрических параметров лазерного диода с пассивной синхронизацией мод

2.1 Конструкция лазерного диода с пассивной синхронизацией мод

2.2 Метод определения ширины и высоты меза-структуры

2.2.1 Методика расчета поперечного профиля световой волны в волноводе102

2.2.2 Метод расчета ширины меза-структуры

2.3 Метод расчета длины секции поглощения

2.3.1 Модель лазера с пассивной синхронизацией мод

2.3.2 Математическое описание модели

2.3.3 Компьютерная модель лазера с пассивной синхронизацией мод

2.3.4 Параметры модели

Глава 3 Моделирование режима пассивной синхронизации мод

3.1 Определения параметров модели

3.1.1 Лазерные гетероструктуры

3.1.2 Теоретический расчет параметров модели

3.1.3 Экспериментальное определение свойств лазерных гетероструктур

3.2 Расчет ширины и высоты меза структуры

3.3 Моделирование режима пассивной синхронизации мод

3.3.1 Моделирование режима пассивной синхронизации в лазерах с отражающим покрытием

3.3.2 Моделирование режима пассивной синхронизации в лазерах без отражающего покрытия

3.3.3 Сравнение результатов моделирования лазерных диодов с отражающим

покрытием и без отражающего покрытия

3.4 Моделирование лазера с пассивной синхронизацией модля для систем безпроводной связи по технологии Ы-Б1

Глава 4 Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными

4.1 Изготовление полупроводниковых лазеров с пассивной синхронизацией мод

4.1.1 Технологический маршрут изготовления лазерного диода с пассивной синхронизацией мод

4.1.2 Конструкция модуля лазера с пассивной синхронизацией мод

4.2 Результаты измерений режима пассивной синхронизации мод

4.3 Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными

Заключение

Список терминов сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Тексты публикаций

Реферат

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Быстродействие современных электронных аналого-цифровых преобразователях (АЦП) ограничено на уровне 2 ГГц множеством факторов, такими как, переходные процессы в электрических цепях, дрожание тактовой частоты, скоростью преобразования схем, однако наиболее фундаментальным фактором является джиттер (jitter) - временное дрожание импульсов синхронизации [1]. Способом радикального увеличения качества оцифровки сигнала является использование оптических АЦП. Использование оптических АЦП, в которых дискретизация аналогового сигнала происходит за счет использования импульсного лазера с синхронизацией мод с длительностью импульсов в несколько пикосекунд, позволит увеличить производительность на порядок по сравнению с электронными АЦП [2]. Наиболее перспективным является использование лазера с пассивной синхронизацией мод (ПСМ), поскольку генерация последовательности оптических импульсов в таком лазере происходит при подаче постоянного смещения и не требует внешнего источника сверхвысокочастотного сигнала.

Создание оптического АЦП возможно на основе твердотельных, волоконных и полупроводниковых лазеров. Параметры излучателей на основе этих лазеров в настоящее время существенно превосходят параметры полупроводниковых лазеров. Однако, использование твердотельных или волоконных лазеров, сопряжено с рядом неустранимых недостатков, таких как: относительно большие габариты, низкая энергоэффективность и высокая стоимость. Поэтому наиболее перспективными источниками тактового оптического сигнала для оптических АЦП являются лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур.

Для использования в оптических АЦП наиболее перспективным является диапазон 1530-1565 нм в силу разнообразия доступных как пассивных, так и активных волоконно-оптических компонентов, и минимума поглощения в оптическом волокне. Лазеры на основе массивов квантовых точек (КТ) 1п(Оа)Лв обладают известными преимуществами, такими как низкие пороговые токи и высокая температурная стабильность, однако доступный диапазон длин волн таких лазеров ограничен и, в настоящее время, технологические затруднения при изготовлении лазеров на КТ в диапазоне 1530-1565 нм еще не преодолены. Для создания лазерных диодов спектрального диапазона 1530-1565 нм на сегодняшний день широко используются гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) на основе четверных твердых растворов InGaAlAs и InGaAsP на подложках фосфида индия. Наибольший практический интерес представляют гетероструктуры с InGaAs КЯ и барьерными слоями InGaAlAs, лазеры, на основе которых обладают более высоким дифференциальным усилением и лучшей температурной стабильностью, в силу более эффективного захвата электронов в КЯ, по сравнению с InGaAsP [3].

На технологической платформе 1пР возможно изготовление не только отдельных активных и пассивных оптических компонент, но и построение фотонных интегральных схем, включающих в себя лазеры, модуляторы, приемники и пассивные оптические компоненты, и обеспечить их интеграцию со сверхбыстродействующими электронными компонентами [4].

Таким образом, полупроводниковые лазеры с пассивной синхронизацией мод на основе бесфосфорных гетероструктур с КЯ на подложках фосфида индия могут являться перспективными генераторами тактовых импульсов для оптического АЦП - ключевого компонента систем приема передачи информации, использующих сверхширокополосную связь.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геометрические параметры лазерных диодов с пассивной синхронизацией мод спектрального диапазона 1530-1565 нм»

Цель работы

Расчет геометрических параметров лазерного диода с пассивной синхронизацией мод, с активной областью на основе квантовых ям,

спектрального диапазона 1530-1565 нм на основе разработанной физической и математической модели.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать физическую и математическую модель лазера с пассивной синхронизацией мод с активной областью на основе квантовых ям;

- определить параметры модели, описывающие лазерную гетероструктуру, на основе экспериментальных и теоретических данных;

- определить геометрические параметры лазерного диода с пассивной синхронизацией мод на основе результатов численного моделирования;

- провести сопоставление результатов численного моделирования с параметрами изготовленного лазерного диода.

Научная новизна

Предложена модель лазера с пассивной синхронизацией мод, сочетающая в себе расчет распределения интенсивности световой волны, как в поперечном сечении резонатора, так и вдоль него. Разработанная модель, описывает синхронизацию мод во времени и учитывает насыщение усиления и поглощения в активной среде, дисперсию световых импульсов, вклад спонтанного излучения в формирование световых импульсов, диффузию носителей заряда вдоль квантовой ямы, вклад безызлучательной, излучательной и Оже-рекомбинации в динамику носителей заряда и релаксацию секции поглощения в рамках теории термоэлектронной эмиссии. Разработанная модель описывается замкнутой системой дифференциальных уравнений, при решении которой можно получить форму и мощность формирующихся импульсов в зависимости от геометрических и рабочих параметров лазерного диода.

Проведено компьютерное моделирование лазера с пассивной синхронизацией мод с использованием измеренных параметров лазерной гетероструктуры 1п0,67Оа0,ззА8/1п0,5зОа0,27Л10,2Л8/1пР. На основе проведенного компьютерного моделирования рассчитаны геометрические параметры лазерного диода с пассивной синхронизацией мод. Проведено сравнение результатов

моделирования с экспериментально измеренными характеристиками лазерных диодов, изготовленных на основе гетероструктуры

1п0;670а0,ззЛ8/1п0;5з0а0,27Л10;2Лв/1пР, с геометрическими параметрами, рассчитанными на основе разработанной модели. Лазеры продемонстрировали стабильную генерацию последовательности оптических импульсов с длительностью и частотой, со значениями, соответствующим данным, полученным в результате компьютерного моделирования.

Практическая значимость работы

Созданная модель лазера может быть использована при разработке лазеров с пассивной синхронизацией мод на основе полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами для применения их в качестве источников тактовых импульсов с частотой в несколько десятков ГГц при изготовлении оптических АЦП.

Результаты работы использовались в Университете ИТМО в ходе выполнения научно-исследовательской работы «Разработка компонентной базы радиофотоники для создания современных оптических аналого-цифровых преобразователей» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение № 14.581.0013 от 04.08.2015 уникальный идентификатор RFMEFI58115X0013 в ходе выполнения ПНИЭР по теме «Разработка комплекса беспроводной системы передачи данных по технологии Li-Fi для интернета вещей и интеллектуальной световой среды в городском пространстве» в рамках Федеральной программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», шифр 2017-14-582-0001-084, соглашение №14.581.21.0029, уникальный идентификатор RFMEFI58117X0029.

Внедрение результатов работы

Результаты работы защищены патентами: патент на изобретение «Способ изготовления меза-структуры полоскового лазера» (правообладатель ФГАОУ ВО "СПбПУ") и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ М1Ро у.1.0 (правообладатель ФГАОУ ВО "СПбПУ"). Внедрение результатов

работы осуществлено на опытном производстве лазерных диодов с пассивной синхронизацией мод в компании ООО «Коннектор Оптикс» (Санкт-Петербург).

Методы исследования

Проведение компьютерного моделирования производилось в среде Ма1ЪаЬ®. Верификация модели проводилось путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными в ходе выполнения работы или приведенными в литературе.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Учет распределения интенсивности световой волны в поперечном и продольном сечениях резонатора полупроводникового лазерного диода и скорости релаксации носителей в его секции поглощения определяет оптимальные геометрические параметры полоска лазерного диода, диапазоны токов секции усиления и напряжений секции поглощения, для которых реализуется режим пассивной синхронизации мод.

2. В лазерных диодах на основе гетероструктуры In0,67Ga0,ззAs/In0,5зGa0,27A10,2As/InP с 3 квантовыми ямами в активной области генерация на длине волны 1532-1538 нм в режиме пассивной синхронизации мод с длительностью импульса 5,7-8,2 пс, частотой следования импульсов 10 ГГц и одной поперечной модой в резонаторе реализуется при токах накачки в 360 - 430 мА и напряжении обратного смещения на секции поглощения 1,25-1,75 В; при этом лазерный диод полосковой геометрии имеет ширину меза-структуры 5 мкм, высоту меза-структуры 0,7-1,2 мкм, длину резонатора 4 мм и длину секции поглощения 120-200 мкм.

3. Нанесение отражающего покрытия на зеркало резонатора лазерного диода со стороны секции поглощения приводит к изменению режима пассивной синхронизации мод, который характеризуется длительностью импульса 2,7-3,2 пс, частотой следования импульсов 10 ГГц при меньшем токе накачки 240 - 270 мА и увеличенном напряжении обратного смещения на секции поглощения 1,75-2,25 В; для получения такого режима лазерный диод обладает той же геометрией полоска

(с шириной меза-структуры 5 мкм, высотой меза-структуры 0,7-1,2 мкм, длиной резонатора 4 мм), но с иной длиной секции поглощения 520-600 мкм.

Степень достоверности

Достоверность результатов работы обусловлена использованием современных научных методов исследования, согласованием результатов численных расчетов и экспериментальных данных, выступлениями на семинарах и научных конференциях, публикациями результатов работ в рецензируемых научных журналах.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в разработке компьютерной модели и проведении компьютерного моделирования, обработке и интерпретации результатов расчетов и экспериментов. Цели и задачи исследования сформулированы автором совместно с научным руководителем. Подготовка научных статей и докладов на конференциях проводилась совместно с соавторами.

Апробация работы

Результаты диссертационной докладывались на ХЫУ и ХЬУ Научно-практических конференциях с международным участием «Неделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, Россия, 2015, 2016.

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах, из них 5 публикаций, в изданиях из перечня ВАК или приравненных к перечню ВАК. По результатам работы был подготовлен и зарегистрирован один патент.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 139 страницы, включая 57 рисунка, 13 таблиц. Список литературы содержит 111 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи диссертационной работы, обоснована новизна, научная и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе приводиться аналитический обзор литературных данных, описывающих мировые тенденции в области радиофотоники, фотонных интегральных схем и оптических аналого-цифровых преобразователей; описывается принцип пассивной синхронизации мод (ПСМ) и рассматриваются варианты конструкций полупроводниковых лазеров с ПСМ; рассматриваются механизмы формирования ультракоротких импульсов в лазерах с ПСМ и теоретически модели, описывающие ПСМ как во временном, так и в частотном представлении.

Во второй главе описываются методы моделирования, использованные для определения геометрических параметров лазера с ПСМ. Длина резонатора лазера с ПСМ определялась, исходя из требуемой частоты следования импульсов. Ширина и высота меза структуру определялась на основе расчета распределения электромагнитного поля в поперечном сечении волновода, исходя из условий существования только одной поперечной моды, при условии достаточной электрической изоляции между секциями усиления и поглощения. Длина секции поглощения определялась по результатам численного моделирования работы лазера в режиме ПСМ.

В первом разделе второй главы приводиться выбранная конструкция лазера с ПСМ и описываются геометрические параметры лазерного диода, расчетам которых посвящено данное исследование.

Во втором разделе второй главы описывается метод расчета ширины и высоты меза структуры, основанный на расчете поперечного профиля световой волны в волноводе в приближении эффективных показателей преломления. Выбор ширины и высоты меза-структуры лазера с ПСМ, должен обеспечить выполнение двух условий:

1. Глубина травления меза-структуры должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить электрическую изоляцию между секциями усиления и поглощения;

2. Ширина меза-структуры должна быть достаточно мала, чтобы обеспечить существование в волноводе лазера только одной поперечной моды.

Данные полученные в результате моделирования также позволяют определить фактор оптического ограничения и коэффициент вклада спонтанного излучения в волновод.

В третьем разделе второй главы описывается использованная для расчета оптимальной длины секции поглощения модель полупроводникового лазера с ПСМ, основанная на распределенных скоростных уравнениях:

+ + ±ЁЕ± = Т(1 + 1Ак)Е± (1)

— дг уд дЬ \2 ) 2 у ;

где - амплитуды волн движущихся в противоположных

направлениях, уд - групповая скорость, Г - коэфициент оптического ограничения, оператор д - отвечает за усиление, А к - изменение вещественной части волнового вектора, а^ - внутренние потери.

В модели рассматривается двухсекционный лазер с активной областью на основе квантовых ям, с полной длиной резонатора Ь и длиной секции поглощения 1а. В модели учитывается: насыщения усиления и поглощения в активной среде; дисперсия световых импульсов; вклад спонтанного излучения в формирование световых импульсов; диффузия носителей заряда вдоль квантовой ямы; вклад безызлучательной, излучательной и Оже-рекомбинации и релаксацию секции поглощения в рамках теории термоэлектронной эмиссии.

В модели делаются следующие приближения:

1. поле предполагается однородным по х и у;

2. дисперсия групповой скорости считается пренебрежимо малой,

вследствие чего изменение вещественной части волнового вектора

становиться коэффициентом, а не оператором;

3. максимум усиления соответствует несущей частоте ;

4. влияние на коэффициент усиления быстрых нелинейных эффектов не учитывается;

5. для описания усиления и изменения волнового вектора используется их линейное разложение по концентрации носителей вблизи точки прозрачности.

Тогда, при условии достаточно узкого пика генерации:

2 я ±

§Е± = а(п - щ)Е± + (2)

дд

где а = —

ап

1 д2д

- дифференциальное усиление или поглощение,

1

п=п0 шд2

- коэффициент частотной дисперсии усиления. Изменение волнового

= 0

2дсо 2

вектора, пропорциональное коэффициенту усиления, может быть записано через коэффициент Генри:

Л к = -\анд, (3)

где д - независящая от времени часть оператора усиления, ан =

д к/д п

-2

- коэффициент Генри вблизи точки прозрачности.

дд/дп п=щ

Вклад спонтанного излучения в волновод, задавался через случайную величину:

4 = ^ (4)

где е(г, Ь) - нормально распределенная случайная величина, Рзр -коэффициент связи спонтанного излучения с волноводом, В - коэффициент излучательной рекомбинации.

Принятые нами приближения приводят к следующему скоростному уравнению:

211 ± „ = „ ^И-Ий (1 _ Шн)Е± + -*-^Е± + Й, (5)

дг — 9 дг 9 2 4 2од2 дг2 2 4 '

где за обозначено дифференциальное усиление в секции усиления и дифференциальное поглощение в секции поглощения:

((га , 0 <г<1а а = (а,, , 1а<2 <Ь (6)

Данное уравнение дополняется граничными условиями Е+(0, Ь) = г0Е~(0^) и Е~(Ь^) = гьЕ+(Ь^), где \гь\2и \г0\2 - коэффициенты отражения от переднего и заднего зеркала резонатора соответственно.

Также вводится уравнение ответственное за влияние излучения и внешних факторов на свойства среды. В случае полупроводникового лазера на квантовых ямах, можно составить следующие уравнения (7) и (8) для секции усиления и секции поглощения соответственно, учитывающие инжекцию носителей, рекомбинационные потери, взаимодействия с оптическим полем через вынужденные переходы и амбиполярную диффузию вдоль квантовой ямы:

Тг = ^ + (Ап + Вп2 + Сп3) - (П - Щ)\Е\2 (7)

^ = (П -По)\Е\2, (8)

где I - ток инжекции, е - заряд электрона, V - объем активной области, Оа -коэффициент амбиполярной диффузии, А, В, С - коэффициенты безызлучательной, излучательной и Оже-рекомбинации соответственно, О -скорость релаксации в секции поглощения, которое зависит от приложенного к секции поглощения обратного смещения и вводиться в модель как Б = т-1, где та - время релаксации насыщающегося поглотителя, которое рассчитывалось в рамках теории термоэлектронной эмиссии.

Полученная система уравнений (5)-(8) является самосогласованной, при решении можно получить форму импульсов в зависимости от времени, а также выходную мощность импульсов. Однако разработанная модель включает более двух десятков параметров, поэтому для получения адекватных результатов моделирования необходимо определить параметры, описывающие реальный лазер с пассивной синхронизацией мод.

В третьей главе приведены результаты измерений и расчетов параметров модели лазера с ПСМ и проведен расчет геометрических параметров лазеров с ПСМ. Описаны результаты моделирования работы лазерных диодов в режиме

ПСМ для двух вариантов конструкции лазерного диода, в первом на грань резонатора лазера со стороны секции поглощения напылялось отражающее покрытие, во втором варианте, покрытие не наносилось. Приведены результаты моделирования формы световых импульсов в режиме ПСМ, описаны динамика формирования импульсов и влияние диффузии носителей в КЯ на длительность импульса, определены оптимальные рабочие параметры и оптимальная длина секции поглощения для обоих вариантов конструкции лазерного диода.

В первом разделе третьей главы приведены результаты теоретического и экспериментального определения параметров модели лазера с ПСМ, определяемых гетероструктурой. Для определения усилительных свойств активной области использовалась гетероструктуры ЛГС1 и ЛГС2 с 5 и 8 КЯ в активной области, послойное описание которых представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Конструкция лазерных гетероструктур ЛГС1 и ЛГС2

Элемент Состав Толщина Легирование

Контактный слой 1По;53Сао;47А8 0,2 мкм р-тип, 3 1018 см-3

Эмиттер 1По,53А1о,47А8 2 мкм р-тип, 3 1018 см-3

Волновод 1по;530аод7А1одАв 0,1 мкм р-тип, 11018 см-3

Волновод 1по,53ааод7А1одА8 0,2 мкм -

Активная область КЯ/Барьер 1по;б70ао,33Ав/ 1по,53ааод7А1одА8 3,5 нм/1о нм

Волновод 1по;530ао,27А1одА8 0,2 мкм -

Волновод 1по,53ааод7А1одА8 0,1 мкм п-тип, 11018 см-3

Эмиттер 1по;53А1о;47Ав 1 мкм п-тип, 3 1018 см-3

Подложка 1пР 450 мкм п-тип, 3 1018 см-3

Структуры содержат активную область, расположенную посередине волноводного слоя 1по,53А1одоОаод7А8, и состоящую из 5 или 8 КЯ 1по;67Оао,33Ав, разделенных барьерными слоями Inо,5зЛ1одоGaод7As. Обеспечение оптического

ограничения достигается использованием эмиттерных слоев 1п0,53А10,47Ав, контактный слой р-типа изготовлен из Iп0,53Ga47As, а в качестве п-контактного слоя выступает легированная подложка 1пР.

Приведена теоретическая оценка коэффициентов безызлучательной, излучательной и Оже-рекомбинации и скорости рекомбинации в секции поглощения значения которых составили ^=2-108 с-1, В=6-10-11 см3с-1, С=8,8-10-29 см6с-1 и 0=1011 с-1 соответственно и коэффициента амбиполярной диффузии значение которого составило Оа=19,2 см2с-1.

На основе гетероструктур ЛГС1 и ЛГС2 были изготовлены серии образцов лазерных диодов с меза-структурой шириной 60 мкм и различной длиной резонатора. Измерения зависимости оптического усиления от плотности тока накачки показало, что значение коэффициента модового усиления составило 11 см-1 и плотность тока прозрачности составила 46 А/см2 на одну КЯ, что соответствует концентрации прозрачности иг=1,7-1018 см3, а значения дифференциального усиления и поглощения соответственно составили - о^=4-10-16 см-2 и Оа=2-10-15 см-2.

Измерения зависимости величины обратной внешней дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора лазера показали, что внутренние оптические потери составили 103 см-1 и 128 см-1 для структур с 5 и 8 КЯ соответственно, что составляет неприемлемо большую величину для изготовления лазерного диода с пассивной синхронизацией мод.

Для изготовления лазерных диодов с ПСМ предназначались гетероструктуры ЛГС3 и ЛГС4, послойное описание которых представлено в таблице 2.

На основе гетероструктур ЛГС3 и ЛГС4 были изготовлены серии образцов лазерных диодов с меза-структурой шириной 60 мкм и различной длиной резонатора. Измерения зависимости величины обратной внешней дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора, показали снижение внутренних потерь в резонаторе до значения аг=33 см-1.

Во втором разделе третьей главы приводится расчет ширины и высоты меза-структуры лазерного диода с пассивной синхронизацией мод. Расчет проводился на основе метода эффективных показателей преломления исходя из одновременно выполнения двух условий - существования одной поперечной моды в резонаторе лазера и достаточной электрической изоляции секции усиления и поглощения друг от друга, при проведении процесса травления меза структуры.

Таблица 2 - Конструкция лазерных гетероструктур ЛГС3 и ЛГС4

Элемент Состав Толщина Легирование

Контактный слой Iпо,5зGaо,47As 0,2 мкм р-тип, 3-1018 см-3

Эмиттер 1П0,53А10,47АБ 0,5 мкм р-тип, 1 • 1018 см-3

Эмиттер IПо,5зA1о,47As 0,5 мкм р-тип, 5-1017 см-3

Волновод Iпо,5зGaо,27A1о,2As 0,3 мкм -

Активная область КЯ/Барьер Iпо,5зGaо,47As/ Iпо,5зGaо,27A1о,2As 3,1 нм/10 нм -

Волновод Iпо,5зGaо,27A1о,2As 0,3 мкм -

Эмиттер IПо,5зA1о,47As 0,7 мкм п-тип, 5-1017 см-3

Эмиттер IПо,5зA1о,47As 0,3 мкм п-тип, 1 • 1018 см-3

Подложка !пР 450 мкм п-тип, 3-1018 см-3

На рисунке 1 приведены зависимости показателей преломления и рассчитанного распределения интенсивности световой волны в направлении перпендикулярном плоскости р-п-перехода, под меза структурой и вне ее.

По результатам расчета значение эффективного показателя преломления в волноводе составило 3,321, а коэффициент оптического ограничения составил Г=2,46%. При этом для обеспечения электрической изоляции секций усиления и поглощения глубина травления меза структуры должна составлять величину 0,71,2 мкм. Ширина меза структуры не должна превышать 14 мкм для обеспечения существования в резонаторе единственной поперечной моды. На основе

проведенных расчетов были выбраны следующие геометрические параметры лазера с ПСМ высота меза-структуры 0,9 мкм, ширина меза-структуры 5 и 10 мкм. Также был рассчитан коэффициент вклада спонтанного излучения в волновод, величина которого составила Д^=2,1-10-4.

а) б)

Рисунок 1 - Рассчитанное распределение интенсивности световой волны в направлении перпендикулярном плоскости р-п-перехода. а) - под меза-структурой, б) - вне меза-структуры

В третьем разделе третьей главы приведены результаты моделирования работы лазерного диода в режиме пассивной синхронизации мод. Моделирование проводилось для лазерных диодов с длиной резонатора 4 мм на основе лазерной гетероструктуры с активной областью, содержащей 3 КЯ 1пОаАБ толщиной 3,1 нм, в двух вариантах конструкции - при наличии высоко отражающего покрытия на зеркале резонатора со стороны секции поглощения и без него.

Были проведены исследования динамики установления режима пассивной синхронизации мод, на рисунках 2 и 3 приведены распределения фотонов в резонаторе в различные моменты времени для лазерных диодов с отражающим покрытием и без отражающего покрытия соответственно, при токах накачки близких к пороговым.

В начальный момент времени в резонаторе наблюдается только шум спонтанного излучения, на уровне 1011 см-3 (рисунок 2 а), в течении следующих 5 нс в резонаторе формируется множество слабых световых импульсов, причем интенсивность каждого пика в отдельности не достаточно для просветления насыщающегося поглотителя. Однако благодаря их количеству средняя концентрация носителей в секции поглощения растет, также растет интенсивность излучения, но без каких-либо качественных изменений. К моменту времени 10 нс (рисунок 2 б) формируется множество отдельных импульсов, на фоне которых выделяется 1 импульс с наибольшей интенсивностью, который полностью не может быть поглощен в НП. В течении следующих 10 нс (рисунок 2 в) интенсивность самого мощного пика резко возрастает, а большинство остальных импульсов полностью исчезает. В течении следующих 15 нс происходит постепенное поглощение побочного импульса, и к моменту времени 35 нс (рисунок 2 г) единственный импульс принимает окончательную форму, и в дальнейшем не меняет ни длительность, ни интенсивность.

Динамика формирования импульсов излучения в лазерном диоде без отражающего покрытия в целом похожа на случай глухого зеркала, но наблюдается и отличия. Первые относительно мощные импульсы выделяются на общем фоне только к моменту времени 25 нс (рисунок 3 б), такое увеличение длительности процесса связано с тем, что скорость накопления носителей в секции поглощения уменьшилась из-за того, что значительная доля излучения покидает резонатор лазер, через полупрозрачное зеркало, вследствие этого, время за которое НП частично насытиться и станет частично пропускать излучение увеличивается. В дальнейшим процесс идет по такому же сценарию, в течение следующих 10 нс интенсивность самого мощного пика резко возрастает (рисунок 3 в), и к моменту времени 45 нс импульс принимает окончательную форму и длительность.

Также при больших токах накачки (более 2 пороговых токов) наблюдался эффект возникновения в резонаторе двух импульсов. Такое поведение связано с тем, что большая накачка секции усиления позволяет эффективно усиливать

импульс, достаточно отстоящий по времени от другого мощного импульса. В тоже время слабые импульсы близкие по времени к более мощным, практически не усиливаются из-за обеднения носителями секции усиления, после прохода мощного импульса. Таким образом наиболее эффективно усиливаются импульсы отстоящие друг от друга на максимально возможное время, т.е на половину периода обхода резонатора излучением. При еще больших токах накачки наблюдалось образование трех и четырех импульсов, которые были разнесены по времени друг относительно друга на треть и четверть периода резонатора соответственно.

Рисунок 2 - Распределение фотонов в резонаторе лазера с отражающим покрытием в различные моменты времени: а) - 0 нс, б) - 10 нс, в) - 20

Рисунок 3 - Распределение фотонов в резонаторе лазера без отражающего покрытия в различные моменты времени: а) - 0 нс, б) - 25 нс, в) - 35

нс, г) - 35 нс нс, г) - 45 нс

С целью определения оптимальной длины секции поглощения и рабочих параметров лазера с ПСМ для лазерных диодов с отражающим покрытием и без него, была проведена серия численных экспериментов, в которых определялись длительность импульсов, интенсивность импульсов и мощность выводящегося излучения. На рисунке 4 представлены типичные распределения концентрации фотонов в резонаторе лазера с длиной секции поглощения 200 мкм, возникающие при различных токах накачки и напряжениях на секции поглощения.

Типичное распределение, соответствующее спонтанному излучению, показано на рисунке 4 а), на рисунке 4 б) приведено распределение соответствующие непрерывному режиму излучения. На рисунке 4 г), д) и е) приведены типичные распределения, соответствующие стабильному режиму ПСМ с излучением 1, 2 и 3 импульсов соответственно. На конец на рисунке 4 в) приведено распределение, соответствующее нестабильному режиму ПСМ, при котором в резонаторе наблюдается отдельный импульс на фоне более слабых импульсов, но с течением времени более мощный импульс расширяется, его интенсивность уменьшается и вместо него из одного из более слабых импульсов формируется новый более мощный импульс и процесс повторяется.

На рисунке 5 приведена зависимость длительности сформированных импульсов в зависимости от режимов работы, для лазерного диода с длиной секции поглощения 5 % от общей длины резонатора. Для области спонтанного излучения длительность импульса принималась равной нулю, для областей непрерывной генерации и областей с множеством импульсов для оценки длительности выбирался самый короткий импульс.

На рисунке области, в которых наблюдался режим ПСМ с 1, 2 и 3 импульсами отмечены соответствующими цифрами. В областях, отмеченных на рисунке 5 цифрой 4, наблюдался нестабильный режим ПСМ, в области малых токов накачки наблюдалось спонтанное излучения, в области малых (менее -1 В) и больших (более -3 В) напряжениях смещения на секции поглощения,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Михайловский Григорий Александрович, 2019 год

ЛИТЕРАТУРА:

1. Valley G.C.; Photonic analog-to-digital converters; Optics Express, 5 March 2007. Vol. 15, No. 5.

2. Khilo A, Holzwarth C.W., Michelle Y. Sander M.Y. et al.; Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter; Optic Express, 13 February 2012. Vol. 20, No. 4.

3. Крюков П.Г.; Лазеры ультракоротких импульсов; Квантовая электроника. - Т. 31. - № 2 (2001).

4. Херман Й., Вильгельм Б.; Лазеры сверхкоротких световых импульсов; 368 с., Мир (1986).

5. Tahvili, M S; Photonic Integrated Circuits For Shaped Pulse Laser Systems; Technische Universiteit Eindhoven, 2013.

6. P. Vankwikelberge, G. Morthier, and R. Baets, "CLADISS, a longitudinal, multi-mode model for the analysis of the static dynamic and stochastic behavior of diode lasers with distributed feedback," IEEE J. Quantum Electron., vol. 26, pp. 1728-1741, Oct. 1990.

7. Radziunas M, Vladimirov A G, Viktorov E A et al.; Pulse Broadening in Quantum-Dot Mode-Locked Semiconductor Lasers: Simulation, Analysis, and Experiments; IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 47, No. 7, July 2011.

УДК 621.373.8

Д.А. Рыбалко, И.С. Полухин, М.А. Одноблюдов, Ю.В. Соловьев, Г.А. Михайловский Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРА С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД НА СТРУКТУРАХ С ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТЬЮ ДЛЯ

ОПТИМИЗАЦИИ ДИЗАЙНА

Актуальность. Полупроводниковый лазер с пассивной синхронизацией мод является устройством, обладающим широким спектром применений и нашедшим особое место в компонентной базе радиофотоники. Принципиальной особенностью такого лазера является импульсный характер излучения при приложении постоянного напряжения к прибору. Таким образом, в данном устройстве отсутствует необходимость подведения высокочастотного сигнала к рабочим областям, что является преимуществом и создает соответствующий ряд задач, особо эффективно решаемый данным прибором.

Электронная компонентная база имеет принципиальные ограничения, связанные с фундаментальными физическими явлениями, в частности любая электронная линия связи обладает паразитными индуктивностью и емкостью, что ограничивает возможность модуляции сигнала на высоких частотах. Исходя из этого, лазер с пассивной синхронизацией мод может быть использован в радиофотонных приборах, ключевым принципом действия которых является обработка одновременно СВЧ и оптических сигналов и конвертация их друг в друга. Подобная идеология позволяет использовать преимущества, как первого, так и второго вида сигналов и значительно повышает быстродействие подобного оборудования [1, 2]. В частности, возвращаясь к практическому применению полупроводникового лазера с пассивной синхронизацией мод, подобный прибор может использоваться как устройство, задающее частоту дискретизации в оптическом аналогово-цифровом преобразователе. Подобное устройство должно генерировать импульсы света пикосекундной длительности с фиксировано заданной частотой - чему в полной мере отвечает описываемый лазер.

Полупроводниковые лазеры с пассивной синхронизацией мод обладают рядом преимуществ по сравнению с другими лазерами ультракоротких импульсов: компактностью, низким энергопотреблением, приемлемыми характеристиками длительности и частоты следования импульсов, совпадением рабочих длин волн с окнами прозрачности оптического волокна. В данном случае, в качестве рабочей длины волны лазера выбрано значение 1,55 мкм, что соответствует третьему окну прозрачности. Работа в данном окне обладает несколькими преимуществами: существование промышленных EDFA-усилителей и возможность реализации режима спектрального уплотнения каналов во втором и третьем окне прозрачности оптоволокна.

В настоящее время идет интенсивная разработка и создание лазеров с пассивной синхронизацией мод, рабочей областью которых являются различные гетероструктуры [3]. На

данный момент существует несколько моделей описывающих явление пассивном синхронизации мод в лазерах на полупроводниковых гетероструктурах [4, 5]. Для интересующего нас спектрального диапазона изготовление лазера на квантовых точках связано с большими технологическими сложностями, поэтому моделирование ведется для лазера с квантовыми ямами.

Цели и задачи работы. Промоделировать рабочий режим лазера с пассивной синхронизацией мод на квантовых ямах ХпОаАвЛпАЮаЛв, получить основные параметры -длительность импульса, пиковую мощность импульса, отследить влияние изменения длины абсорбера на параметры излучения.

Результаты. Была разработана модель, позволяющая численно получить основные параметры излучения - длительность, частоту следования и мощность импульсов. В данной работе основное внимание сосредоточено на влиянии длины абсорбера на характер излучения. Данная модель представляет собой пространственно-временное изменение двух встречных электромагнитных волн Е+(2,г) и Е'(2,() и концентрации носителей заряда п в основном состоянии квантовой ямы. После фиксирования определенной длины волны Ао, поле внутри резонатора представляет собой меняющиеся комплексные амплитуды двух встречных волн Е+ (2, г) и Е- (2, г), t - время, 0 < z < L, где L - длина резонатора, в котором происходит

+ 2

распространение волн. Е (2, г) имеет смысл плотности фотонов в резонаторе.

Две встречные волны Е+ (2, г) и Е- (2, г) в резонаторе удовлетворяют уравнению для бегущей волны:

дЕ+ дЕ+ Га(п - п) . д 2Е+ а1 , , -+ К-= ---— (1 -ан)Е+ + Г 8 2 -— -у„—Е+ + Брр, (1)

дг 8 д2 8 2 V н' 2а/ дг2 8 2 р

дЕ- дЕ- Га (п - п) . д2Е- а ^ ---= ^---- (1 - ан )Е - + Г -2--у8—Е - + Бр, (2)

дг 8 д2 8 2 v н' 2®82 дг2 8 2 р

здесь со - скорость света в вакууме, У8 - групповая скорость, а; - коэффициент внутренних потерь, а- дифференциальное усиление или поглощение (зависит от секции), п -концентрация носителей заряда на нижнем уровне размерного квантования, пг - концентрация носителей заряда на пороге прозрачности, Г - фактор оптического ограничения, ан - Генри-фактор, Б.чр - функция спонтанного шума. При этом граничные условия должны удовлетворять соотношениям:

Е + (0, г) = ГоЕ (0, г)

Е- (ь, г) = ГЬЕ + (ь, г)'

где го, гь - амплитуды коэффициента отражения на гранях резонатора. Значения п задаются скоростными уравнениями для секции усилителя и абсорбера:

дп = /(£)

д( е¥ (4)

°п + У,аа (п - п,)(|Е +12 +1£-12) Ап + Вп2 + Сп3 +У8а8 (п - п{)(|Е +12 +1£-12)

где первая строка в фигурной скобке описывает секцию абсорбера, а вторая - секцию усилителя, е - элементарный заряд, V - объем активной области, оа, Og - дифференциальное поглощение и усиление соответственно, А - коэффициент безызлучательной рекомбинации, В - коэффициент излучательной рекомбинации, С - коэффициент Оже-рекомбинации, Б -скорость насыщения абсорбера, 1(2) - ток накачки, значение которого равно 0 для абсорбера и некому фиксированному значению 1о для секции усиления. При моделировании сохраняется возможность варьировать То.

Мощность излучения определялась по формуле:

Ра^егЩ ] = hw0 \Е+12 ^ ^(1" ^(5)

где Й - постоянная планка, Яь - коэффициент отражения одного из зеркал.

Таким образом, уравнения (1) и (2) описывают движение электромагнитной волны в резонаторе, а уравнение (4) определяет интенсивность межзонных излучательных переходов, и, соответственно, определяется конкретной квантоворазмерной структурой. Данная модель может быть применена для расчета структур как на основе квантовых ям, так и на основе квантовых точек. В итоге, наша модель обладает определенной универсальностью, однако в данной работе внимание было сосредоточено на расчете конкретной структуры, готовящейся к производству.

В результате численного моделирования выхода лазера на стационарный режим мы определили, во-первых, распределение плотности электромагнитных волн и концентрации на нижних уровнях размерного квантования внутри резонатора для различных длин абсорбера (см. рис. 1). Во-вторых, мы определили временные зависимости распределения плотности электромагнитных волн для определенных значений координат внутри резонатора (см. рис. 2).

Из рис. 1 (а), (Ь) и (с) видно, что в зависимости от длины абсорбера в резонаторе, могут быть сформирован одиночный импульс или случайный набор импульсов. На (рис. 1 (с)) представлен пример, когда в результате моделирования для лазера с пассивной синхронизацией мод, вышедшего на стационарный режим, получен один максимум плотности излучения в резонаторе. Это означает, что в таком режиме с течением времени лазер будет выдавать одиночные импульсы, с частотой повторения, определяемой временем, за которое свет полностью прошел длину резонатора два раза. Данный характер излучения является целевым при конструировании лазера с пассивной синхронизацией мод. Такой режим удалось организовать при относительной длине абсорбера, составляющей 14 % от длины резонатора. При меньших значениях относительной длины абсорбера в 5 % и 10 % (см., соответственно, рис. 1 (а) и (Ь)) из-за слишком слабой селекции мод в резонаторе оказываются одновременно несколько максимумов плотности излучения, и, значит, за время, соответствующее двойному проходу резонатора на выходе лазера появятся нескольких импульсов, частота следования которых при следующем включении лазера может измениться. В модель длина абсорбера входит через уравнения среды (4), а так же через параметры дифференциального поглощения в уравнениях (1) и (2).

На рис. 2 представлена динамика процесса выхода лазера на стационарный режим. Время, отложенное по горизонтальной оси, соответствует одному проходу резонатора светом. На каждом из рис. 2 (а^) указан также момент времени, отсчитанный от момента включения лазера. На рис. 2 (а) видно, как начинается селекция мод - некоторые пики явно выделяются на уровне случайного шума (порядка 1011 см-3). По прошествии 12,5 нс после включения, селекция мод продолжается и на рис. 2 (Ь) наблюдается уже меньшее количество пиков с большей интенсивностью. Развитие этого процесса можно пронаблюдать на рис. 2 (с), на котором осталось всего два пика. К 250 нс с момента включения лазера, за время, отведенное на один проход резонатора, через данное сечение резонатора проходит только один пик. Далее, с течением времени в резонаторе существует только один пик, что говорит о том, что лазер вышел на стационарный режим.

Полученные нами временные зависимости распределения плотности электромагнитных волн позволяют определить длительность импульса излучения (обозначена стрелками на рис. 2 ^)), а также частоту повторения импульсов.

Выводы. В результате моделирования были получены импульсы длительностью 2 пс с частотой повторения 10 ГГц и выходной мощностью 9,6 мВт. Возможность получения данных параметров при помощи теоретического моделирования позволяет проводить оптимизацию

дизайна лазера до его изготовления. Проведено исследование влияния длины абсорбера на форму импульса и характер излучения. Из значений, представленных на рис. 1, наиболее оптимальной является длина абсорбера в 14 % от длины резонатора.

4,5

3,0

+ 1,5

Ш 0,0 с 4

7 з

о 2 Ш+ 1 0

^ 2

S

о

7 1

Ш

о

со

"о ш+

14%

С)

10%

b)

5%

a).

Е о

Ш

Е о

Ш

Е о

Ш

"е

о

"о

ш+

0 2 4

Координата в резонаторе, мм

Рис. 1. Распределение интенсивности излучения в резонаторе при различных значениях длин абсорбера

20 30 40 время, пс

Рис. 2. Распределение интенсивности излучения в сечении резонатора в зависимости от времени. Значение длины абсорбера составляло 14 % длины резонатора

Численное моделирование проводилось в СКЦ «Политехнический» (http://www.spbstu.ru/) на суперкомпьютере Polytechnic - RSC Tornado.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», шифр 2015-14-579-0015, соглашение № 14.578.21.0100, уникальный идентификатор RFMEFI57814X0100.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Valley G.C. Optics Express, 5 March 2007. V. 15 (5): p. 1955.

2. Khilo A. et al. Optic Express, 13 February 2012. V. 20(4): p. 4454.

3. Tahvili M.S. Photonic Integrated Circuits For Shaped Pulse Laser Systems; Technische Universiteit Eindhoven, 2013.

4. Vankwikelberge P. et al. IEEE J. Quantum Electron, 1990. V. 26: pp. 1728-1741.

5. Radziunas M. et al. IEEE Journal of Quantum Electronics 2011. V. 47(7): p. 935.

0