Динамические характеристики новых типов поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным микрорезонатором

Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (-18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ". 1].

В настоящее время оптическая технология приема-передачи информации прочно заняла ведущие позиции в мире телекоммуникаций и является одной из самых быстро развивающихся областей науки и техники. Одним из ключевых элементов таких систем являются поверхностно-излучающие лазеры на основе вертикального микрорезонатора (ПИЛВМ). В отличие от традиционных полосковых лазеров, конструкция ПИЛВМ обеспечивает вывод излучения в вертикальном направлении, перпендикулярном плоскости полупроводниковой подложки, с существенно более узкой и симметричной диаграммой направленности [2]. К другим важным достоинствам ПИЛВМ относятся относительно высокая температурная стабильность, более высокое быстродействие, низкие пороговые токи вследствие малого объема резонатора и экономичная групповая/планарная технология изготовления приборов. Как результат, поверхностно-излучающие лазерные диоды находят применение не только в цифровых оптических системах связи, но и в устройствах ввода-вывода на оптических принципах (компьютерные «мыши» и др. манипуляторы), а также в датчиках и сенсорах различного типа [3].

Стремительно растущее с каждым годом количество пользователей компьютеров и глобальной информационной сети Internet накладывает новые требования к принципам и характеристикам функционирования ПИЛВМ. Так, необходимо повышать быстродействие лазеров в режиме прямой модуляции в 4 раза каждые 5 лет, что представляет собой огромную проблему. В самом деле, скорость передачи данных в режиме прямой токовой модуляции определяется шириной полосы модуляции лазера. В свою очередь, ширина полосы модуляции лазера ограничена, с одной стороны, эффектами насыщения усиления, которые препятствуют ускорению релаксационных эффектов с увеличением плотности мощности в резонаторе. С другой стороны, большая плотность мощности, необходимая для достижения высокой частоты релаксационных колебаний, приводит к перегреву, уменьшающему максимальное усиление. Кроме того, заметно ухудшаются спектральные характеристики (растёт ширина спектра излучения и сдвиг линии генерации с током, «чирп») и пространственное качество излучения [3]. Более того, большая часть излучения уходит в волноводные моды, приводя к возникновению режима само-пульсации (self-pulsation), увеличению оптических потерь в непрокачиваемых областях лазера и дополнительному падению максимального усиления активной среды [4], и, в конечном счете, к деградации динамических характеристик лазеров. Таким образом, повышение быстродействия ПИЛВМ может быть достигнуто путем увеличения дифференциального усиления активной области, а также использования лазерных резонаторов, свободных от существующих недостатков. В связи с этим данная диссертационная работа, направленная как на совершенствование традиционных ПИЛВМ путем использования новых типов наноструктур для активной области, а также конструкций резонатора, позволяющих подавить паразитные волноводные моды, так и на исследование вертикально излучающих приборов принципиально новых конструкций (ПИЛВМ с монолитным электрооптическим модулятором) представляется весьма актуальной.

Основная цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании новых типов быстродействующих ПИЛВМ в системе материалов Ga (In, Al) As диапазона излучения 850/980 нм, поиске путей оптимизации их активной области и конструкции с целью повышения эффективности и быстродействия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые теоретически исследованы процессы спонтанного излучения в различных типах ПИЛВМ и обнаружен эффект увеличения скорости спонтанного излучения в вертикальном направлении в антиволноводной конструкции поверхностно-излучающих лазеров, основанной на использовании вертикального микрорезонатора с показателем преломления меньшим, чем эффективный показатель преломления распределенных брегговских отражателей;

2. Впервые исследованы структурные и оптические свойства наногетероструктур на основе InAs нановнедрений, сформированных в GaAs/AlGaAs квантовой яме путем осаждения InAs с эффективной толщиной меньше критической (1.6 монослоя), и продемонстрирована перспективность их применения в качестве активной области для быстродействующих (>40 Гб/с) ПИЛВМ оптического диапазона 850 нм;

3. Впервые экспериментально исследованы динамические характеристики нового оптоэлектронного прибора — ПИЛВМ с интегрированным электро-оптическим модулятором и продемонстрирована температурная независимость эффективности модуляции;

4. Впервые показана принципиальная возможность передачи данных с помощью ПИЛВМ с интегрированным электро-оптическим модулятором на скоростях более 10 Гб/с.

Практическая значимость результатов:

1. Использование субмонослойных внедрений 1пАб в качестве активной области, а также конструкций, основанных на принципе подавлении паразитных мод (антиволноводный дизайн) перспективно для повышения эффективности и быстродействия ПИЛВМ диапазона 850/980 нм. Такие приборы могут найти широкое применение в сетях хранения данных и локальных вычислительных сетях (СХД/ЛВС), а также при межчиповой передаче данных в суперкомпьютерах;

2. ПИЛВМ с интегрированным электро-оптическим модулятором представляет собой новый тип миниатюрного оптического источника для передачи информации. Благодаря использованию непрямой модуляции излучения данные приборы лишены некоторых ограничений в быстродействии и условиях работы, характерных для обычных ПИЛВМ, и могут совершить прорыв в оптоволоконных коммуникациях, предоставив возможность передачи информации со скоростью до 100 Гб/с на один канал.

Научные положения, выносимые на защиту.

Положение 1. В антиволноводной конструкции поверхностно-излучающих лазеров, основанной на использовании вертикального микрорезонатора с показателем преломления меньшим, чем эффективный показатель преломления распределенных бреггавских отражателей, излучение в волноводные моды, распространяющиеся в горизонтальном направлении, подавлено, а скорость спонтанной излучательной рекомбинации в вертикальном направлении возрастает по сравнению с поверхностно-излучающими лазерами на основе вертикального микрорезонатора традиционной конструкции;

Положение 2. В поверхностно-излучающих лазерах антиволноводной конструкции использование вертикального микрорезонатора на основе AlGaAs с содержанием алюминия более 80% позволяет увеличить толщину оксидной апертуры и повысить частоту отсечки паразитной RC цепочки, образованной элементами конструкции;

Положение 3. Использование InAs нановнедрений, сформированных в GaAs/AlGaAs квантовой яме путем осаждения InAs с эффективной толщиной меньше критической (1.6 монослоя), в качестве активной области поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным микрорезонатором позволяет реализовывать длину волны генерации в диапазоне 850 нм, а также достигать малых значений К-факгора (0.33−0.38 не);

Положение 4. Модуляция излучения поверхностно-излучающего лазера с вертикальным микрорезонатором с помощью монолитного электрооптического модулятора, сформированного в верхнем распределенном брегговском отражателе и осуществляющего сдвиг его стоп-зоны под действием прикладываемого электрического поля, позволяет реализовать сверхскоростную передачу данных скоростью более 10 Гб/с. Эффективность модуляции такого прибора температурно независима;

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. S.A. Blokhin, A.V. Sakharov, A.M. Nadtochy, M.M. Kulagina, Yu.M. Zadiranov, N.Yu. Gordeev, M.V. Maximov, V.M. Ustinov, N.N. Ledentsov, E. Stock, T. Warming, D. Bimberg, «The impact of thermal effects on emission characteristics of asymmetrical AlGaO-waveguide microdisks based on quantum dots», Appl. Phys. Lett., 91,121 108, pp.121 108−1-121 108−3, 2007;

2. A.M. Надточий, C. A, Блохин, A.B. Сахаров, M.M. Кулагина, Ю. М. Задиранов, Н. Ю. Гордеев, М. В. Максимов, В. М. Устинов,.

H.Н. Леденцов, Е. Шток, Т. Варминг, Д. Бимберг, «Влияние уровня возбуждения на оптические свойства микродиска GaAs-AlGaO с активной областью на основе квантовых точек InAs», ФТП, 42, (10), 12 521 257,2008;

3. A.M. Mintairov, Y. Chu, Y. He, S. Blokhin, A. Nadtochy, M. Maximov, V. Tokranov, S. Oktyabrsky and J.L. Merz, «High-spatial-resolution near-field photoluminescence and imaging of whispering-gallery modes in semiconductor mikrodisks with embedded quantum dots», Phys. Rev. B, 77, 195 322−1-195 322−7,2008;

4. N.N. Ledentsov, J.A. Lott, V.A. Schukin, H. Quast, F. Hopfer, G. Fiol, A. Mutig, P. Moser, T. Germann, A. Strittmatter, L.A. Karachinsky, S.A. Blokhin,.

I.I. Novikov, A.M. Nadtochi, N.D. Zakharov, P. Werner and D. Bimberg «Quantum dot insertions in VCSELs from 840 to 1300 nm: growth, characterization and device performance», proc of SPIE, vol. 7224 72240P-1, 2009;

5. A. Mutig, S.A. Blokhin, A.M. Nadtochiy, G. Fiol, J.A. Lott, V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov and D. Bimberg, «Frequency response of large aperture oxide-confined 850 nm vertical cavity surface emitting lasers», Appl. Phys. Lett. 95,131 101,2009;

6. N.N. Ledentsov, J.A. Lott, V.A. Shchukin, D. Bimberg, A. Mutig, T.D.

Germann, J.-R. Kropp, L.Ya. Karachinsky, S.A. Blokhin, A.M. Nadtochiy, «Optical components for very short reach applications at 40 G/s and beyond», Proc. of SPIE, vol. 7597, 75971F-1,2010;

7. A. Mutig, S.A. Blokhin, A.M. Nadtochiy, G. Fiol, J.A. Lott, V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov and D. Bimberg, «High-speed 850 nm oxide-confined VCSELs for DATACOM applications», Proc. of SPIE, vol. 7615 76150N-1, 2010;

8. А. М. Надточий, С. А. Блохин, А. Мутиг, Дж. Лотт, Н. Н. Леденцов, Л. Я. Карачинский, М. В. Максимов, В. М. Устинов, Д. Бимберг, «Быстродействие вертикально излучающих AlGaAs лазеров с активной средой на основе субмонослойных внедрений InAs», ФТП, 45, 688 (2011);

9. T.D. Germann, A. Strittmatter, A. Mutig, А.М. Nadtochiy, J.A. Lott, S.A. Blokhin, L. Ya. Karachinsky, V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov, U.W. Pohl and D. Bimberg, «Monolithic electro-optically modulated vertical cavity surface emetting laser with 10 Gb/s open-eye operation», Phys. Status Solidi C, 7 (10), 2552−2554,2010;

10.H.B. Крыжановская, С. А. Блохин, M.B. Максимов, A.M. Надточий, А. Е. Жуков, К. В. Федорова, Н. Н. Леденцов, В. М. Устинов, Н. Д. Ильинская, Д. Бимберг, «Влияние параметров AlGaAs/(AlGa)xOy пьедестала на характеристики микродискового лазера с активной областью на основе InAs/InGaAs-квантовых точек», ФТП 45(7), сс. 992, 2011;

U.S.A. Blokhin, J.A. Lott, G. Fiol, N.N. Ledentsov, M.V. Maximov, A. Mutig, A.M. Nadtochiy, L. Ya. Karachinsky, I.I. Novikov, V.A. Schukin and D. Bimberg «High-speed (-40 Gbit/s) oxide-confined 850 nm VCSELs», Proc. 17nth Int. Symp. «Nanostructures and Technology», 2009;

12.A.M. Надточий, C.A. Блохин, Л. Я Карачинский, И. И. Новиков, М. В. Максимов, Н. Н. Леденцов, «Вертикально излучающий лазер на основе субмонослойных наноразмерных влючений InAs/AlGaAs диапазона.

850 нм для высокоскоростной (20 Гб/с) передачи данных", Конференция (школа-семинар) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и северо-запада, Санкт-Петербург, 29−30 октября, 2009;

13.С. А. Блохин, A.M. Надточий, М. В. Максимов, И. И. Новиков, А. Мутиг, Г. Фиол, Д. Бимберг, Д. А. Лотт, В. А. Щукин, Н. Н. Леденцов, «Вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 850 нм со скоростью передачи данных до 40 Гб/с для новых поколений линий оптической связи», «Rusnanotech'09, международный форум по нанотехнологиям», Москва, 6−8 октября, 2009;

14.D. Bimberg, S.A. Blokhin, A. Mutig, A.M. Nadtochiy, G. Fiol, P. Mosser, D. Arsenijevic, F. Hopfer, V.A. Shchukin, J.A. Lott and N.N. Ledentsov, «Nano-VCSELs for the terabus», 17th Int. Symp., «Nanostructures: Physics and Technology», Minsk, Belarus, June 22−26,2009;

15.S.A. Blokhin, J.A. Lott, G. Fiol, N.N. Ledentsov, M.V. Maximov, A. Mutig, A.M. Nadtochiy, L.Ya. Karachinsky, I.I. Novikov, V.A. Shchukin, and D. Bimberg, «High-speed (-40 Gbit/s) oxide-confined 850 nm VCSELs», 17th Int. Symp., «Nanostructures: Physics and Technology», Minsk, Belarus, June 22−26,2009;

16.Л. Я. Карачинский, C.A. Блохин, Д. А. Лотт, М. В. Максимов, А. Мутиг, А. М. Надточий, И. И. Новиков, В. А. Щукин, Д. Бимберг, Н. Н. Леденцов, «Вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 850 нм/с со скоростью передачи данных 39 Гбит/с», «Полупроводники-09» 9а Российская конференция по физике полупроводников, Новосибирск-Томск, 28 сентября-3 октября, 2009.

Заключение

.