Выполнил: Андрусенко Иван Евгеньевич
Группа: 542 ОБ-3
Руководитель: Карпова Т.В.ВВЕДЕНИЕ
Фотоника в современном понимании означает широкую область знаний, в которой изучаются разнообразные явления и системы, связанные с оптическим излучением (фотонами). Европейский союз признал фотонику одной из пяти самых эффективных и экологичных технологий, обеспечивающих значительное улучшение качества жизни. Одним из наиболее значимых продуктов развития фотоники являются телекоммуникационные волоконно-оптические системы (ТВОС), которые в 21 веке заняли основное место в мировой инфраструктуре сетей связи. Общий принцип их функционирования состоит в электрооптическом преобразовании информационного сигнала, передаче модулированного оптического сигнала по волоконному световоду и обратном оптико-электрическом преобразовании в диапазон модулирующих частот.
Для электрооптического преобразования в ТВОС повсеместно используются полупроводниковые лазерные излучатели (ПЛИ), единственным представителем которых с самого начала развития ТВОС являлся ПЛИ с торцевым излучением и горизонтальным резонатором. Однако в начале 1990-х годов в Японии был изобретен ПЛИ другой конструкции, которую отличало поверхностное излучение из вертикального микрорезонатора. Впоследствии данный тип лазера получил сокращенное название VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser) - поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором. Благодаря ряду достоинств VCSEL, сегодня в мире известно так много разработок различных фотонных устройств на базе лазеров этой конструкции, что можно говорить о формировании отдельного направления фотоники - "викселоника".
Проанализируем потенциал применения VCSEL в фотонике и в особенности в ее новом научно-техническом направлении "радиофотоника", которое считается весьма перспективным не только для гражданского, но и для военного применения.
1. Потенциал применения VCSEL в устройствах фотоники и радиофотоникиВо второй половине прошлого столетия на стыке фотоники и традиционной электроники возникло новое научно-техническое направление - оптоэлектроника, которое сегодня достигло стадии промышленной зрелости, но продолжает оставаться одним из наиболее актуальных. Это подтверждается ее непрерывным развитием с выделением самостоятельных междисциплинарных направлений, одним из которых является сверхвысокочастотная (СВЧ) оптоэлектроника (Microwave photonics), появившаяся в результате интеграции оптоэлектроники и СВЧ-радиоэлектроники. В последние годы в российской научно-технической периодике термин "СВЧ-оптоэлектроника" заменен более общим эквивалентом "радиофотоника".
Суть радиофотонного принципа построения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) такова (рис.1): входной сигнал СВЧ-диапазона посредством электрооптического преобразователя конвертируется в оптический диапазон. Модулированный оптический сигнал при помощи волоконно-оптических либо интегрально-оптических узлов и устройств обрабатывается либо просто передается в удаленную точку аппаратуры, где выполняется обратное оптико-электрическое преобразование в СВЧ-диапазон. По сравнению с ТВОС, в радиофотонной аппаратуре, помимо передачи в оптическом диапазоне, необходима непосредственная обработка оптического излучения, несущего радиосигнал. В традиционной РЭА аналогичная обработка выполняется с помощью функциональных элементов радиодиапазона. Перенос операции обработки в оптический диапазон упрощает общую схему РЭА и повышает ее ключевые технические показатели, такие как быстродействие, рабочая полоса частот, массогабаритные характеристики, динамический диапазон, электромагнитная совместимость, имитостойкость и др. В отличие от ТВОС, в радиофотонных устройствах, как правило, не требуется излучение лазера со значительной мощностью. А ведь именно меньшая мощность по сравнению с традиционным ПЛИ ограничивает применение VCSEL в телекоммуникационных системах волоконно-оптической связи, где они используются на относительно коротких распределительных линиях.
Напротив, в радиофотонных узлах обработки применение VCSEL обеспечивает преимущества, основанные на его достоинствах по сравнению с лазером с торцевым излучением:
- миниатюрность (длина резонатора почти на два порядка меньше);
- низкий пороговый ток генерации (0,5-2 мА против 10-15 мА);
- малая мощность потребления (в 5-10 раз меньше);
- лучшая эффективность ввода в волокно за счет пространственной симметричности и относительно малой расходимости выходного луча (10-12° против 30-40°);
- существенно меньшая температурная зависимость порогового тока и энергетической характеристики;
- простота обеспечения одночастотного режима;
- относительно широкая полоса непрерывной перестройки длины волны (5-7 нм);
- простота формирования двумерной лазерной решетки на одной подложке;
- экономичность за счет возможности тестирования в процессе производства на пластине.
Полупроводниковые технологии с использованием лазеров с поверхностным излучением предлагают уникальные возможности создания не только компактных, но также весьма эффективных устройств. Развитие VCSEL с самого начала проходило на базе двух материальных систем. Первая - это лазеры на основе AlGaAs/GaAs, работающие в первом окне прозрачности кварцевого световода в районе 0,85 мкм, - так называемые коротковолновые VCSEL. Устройства на основе таких лазеров уже нашли широкое применение в экономичных ТВОС для локальных сетей передачи данных, компьютерных оптических интерфейсах типа "активный кабель" и компьютерных оптических "мышах".
В лазерах второго типа, так называемых "длинноволновых" VCSEL, используются материалы на основе InP, благодаря чему они могут функционировать в более перспективных для телекоммуникационных систем втором (длина волны в районе 1,3 мкм) и третьем (в районе 1,55 мкм) окнах прозрачности (спектральные диапазоны О, S (второе окно) и С, L (третье окно) в обозначениях Международного союза электросвязи). Однако данный тип лазеров внедряется сравнительно медленно, в основном из-за технологических трудностей. Кроме того, важной проблемой является обеспечение надежной работы VCSEL при требуемых для РЭА повышенных температурах окружающей среды. Анализ различных лазерных гетероструктур показывает, что при разработке длинноволновых VCSEL во втором окне прозрачности преимущественно используются системы с активной областью на основе InAlGaAs, а в третьем - на основе InGaAsP.
Современные лазерные структуры в длинноволновом диапазоне строятся по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием двух конструкций: полностью эпитаксиальной, когда активная область и зеркала формируются посредством одних и тех же материалов, и сплавной с отдельно изготавливаемыми брэгговскими зеркалами на базе AlGaAs/GaAs и последующим сплавлением их при определенных температурах и давлении с гетероструктурой активной области. Достоинством первого способа является сравнительная простота технологического процесса, важным недостатком - худший отвод тепла из активной области из-за относительно низкого коэффициента теплопроводности четверного твердого раствора, применяемого в этом случае для формирования многослойного отражателя. Этот недостаток устраняется в сплавной конструкции за счет того, что зеркала так же, как в коротковолновых VCSEL, формируются посредством чередующихся слоев AlGaAs/GaAs. Однако данный технологический прием увеличивает число операций и, следовательно, стоимость изготовления.
Тем не менее именно длинноволновый VCSEL сплавной конструкции считается ключевым компонентном аппаратуры современных и перспективных локальных телекоммуникационных сетей и узлов радиофотонной обработки РЭА.
2. КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА ВИКСЕЛОНИКИ2.1 Длинноволновый VCSEL сплавной конструкцииОсновными элементами современной поперечной структуры длинноволнового VCSEL сплавной конструкции являются (рис.2): гетероструктура, содержащая легированные n-слои на основе InP и многоквантоворазмерную активную область на основе InP/InAlGaAs, и два брэгговских отражателя на основе GaAs/AlGaAs. Данные элементы в процессе изготовления сплавляются между собой по двум плоскостям. Для оптического и токового ограничения используется туннельный переход. В отличие от лазера с торцевым излучением, канал излучения лазера типа VCSEL расположен вертикально (рис.3). Для обеспечения лазерной генерации активная область так же, как и в традиционном лазере, находится между двумя зеркалами, которые в данном случае выполняются в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО). Однако длина резонатора VCSEL почти на два порядка меньше и примерно соответствует рабочей длине волны, поэтому для создания эффективной лазерной генерации требуется: максимально увеличить оптическое усиление в активной области; обеспечить высокий (близкий к 1) коэффициент отражения зеркал. Первое условие реализуется при помощи квантоворазмерной структуры активной области с использованием до 10 нанослоев толщиной несколько нанометров на основе квантовых ям либо квантовых точек. Для реализации второго условия применяется многослойная структура зеркал с числом слоев более 30. При этом общее число эпитаксиальных слоев в структуре превышает 100, что создает значительные трудности при ее физическом моделировании.
Таким образом, сегодня существует большое количество приборов на базе VCSEL. Они находят широкое применение в волоконно-оптической и радиоэлектронной аппаратуре.
