автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Технология изготовления и исследование одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой

На правах рукописи

Климов Кирилл Игоревич

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ С ВОЛОКОННО-БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКОЙ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005 г.

Работа выполнена в технологической лаборатории АОЗТ «Новая лазерная техника» («Нолатех»).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, лауреат Государственной премии СССР Дураев В.П.

доктор физико-математических наук, профессор Логгинов A.C.

доктор физико-математических наук, профессор Богатов А. П.

Ведущая организация: Центр естественнонаучных

исследований Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Защита диссертации состоится 30 ноября 2005 г. в 16— на заседании Диссертационного совета Д409.007.01 в ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» (121108, Москва, ул. Ивана Франко, д.4)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ЦНИТИ «Техномаш»

Автореферат разослан 28 октября 2005г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Сахно Э.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Полупроводниковые лазеры представляют наиболее динамично развивающуюся часть физики и технологии полупроводников, а взаимосвязь фундаментальных и прикладных исследований в этой области представляет прогресс мировой оптоэлектронной промышленности.

Одним из наиболее важных применений полупроводниковых лазеров является волоконно-оптическая связь. Здесь предъявляются взаимосвязанные требования к волоконным световодам и источникам излучения, таким, как полупроводниковый лазер, для повышения основного параметра линий связи - пропускной способности. Существенными характеристиками волоконного световода являются потери пропускания и хроматическая дисперсия. В настоящее время, когда в волоконных световодах достигнут теоретический предел потерь пропускания, больше внимания уделяется хроматической дисперсии. При этом взамен традиционных лазеров, использующих резонатор Фабри-Перо и обладающих широким спектром генерации в режимах прямой модуляции с высокой скоростью, потребовались новые источники излучения. К таким устройствам относятся динамически одночастотные лазеры, которые устойчиво работают в режиме генерации одной продольной моды даже при высокочастотной прямой модуляции.

В работе представлены последовательные этапы создания и исследования динамически одночастотных полупроводниковых лазеров.

Первые одночастотные лазеры с коротким резонатором на длине волны 840 нм на основе арсенида галлия появились в начале шестидесятых годов.

В 1978 году появились первые работы о создании полупроводниковых лазеров на основе твердых растворов ЬЮаАвР с длиной волны излучения 1300 нм [1,2]. Однако для получения высокоэффективных приборов, работающих в одночастотном

режиме генерации на длине волны 1550 нм, потребовались десятилетия [3].

Для создания физико-технологических основ динамически одночастотных полупроводниковых лазеров для волоконно -оптических линий связи со спектральным уплотнением каналов требовалось понимание фундаментальных физических и технологических процессов в лазерах с волоконно-брэгговскими решетками [4,5]. Таким образом, диссертационная работа, посвященная созданию технологии изготовления и исследованию динамически одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.

Цель работы

Основная цель работы состояла в исследовании свойств, разработке физических основ и технологии получения динамически одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач:

- расчет и конструирование одночастотного полупроводникового лазера с внешним дисперсионным резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки;

- разработка физико-технологических основ создания одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой;

исследование основных электрофизических и оптических характеристик одночастотных лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

Научная новизна

При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

- рассчитаны и определены условия работы динамически одночастотных полупроводниковых лазеров с внешним дисперсионным резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки;

ч*

- предложена и реализована конструкция и базовая технология изготовления одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой;

- на основе разработанной технологии созданы динамически стабильные одночастотные полупроводниковые лазеры с волоконно-брэгговской решеткой в диапазоне длин волн 980.... 1550 нм с шириной линии излучения менее 1 МГц.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласием теоретических оценок и экспериментальных результатов.

Представленные результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые.

Практическая ценность работы

Полученные лазеры нашли широкое применение в различных отраслях науки и техники и, особенно, в волоконно-оптических линиях связи (BOJIC) со спектральным уплотнением информационных каналов (WDM и DWDM)

Научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования процессов создания одночастотных полупроводниковых лазеров на основе InP и GaAs, условия получения динамически одночастотного режима генерации полупроводникового лазера с внешним резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки и разработанные принципы конструирования лазеров с ВБР.

2. Конструкция одночастотного полупроводникового лазера с внешним селективным резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки, включающая:

- активный элемент лазерного диода;

- одномодовый волоконный световод с волоконно-брэгговской решеткой и со сферической линзой на конце;

- микроохладитель (элемент Пельте);

- микропечь;

- фотодиод обратной связи;

- корпус типа 14 pin DIL или "Баттерфляй".

3. Промышленная технология изготовления одночастотного полупроводникового лазера с внешним селективным резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки.

4. Создание ряда одночастотных полупроводниковых лазеров на основе волоконно-брэгговской решетки с длиной волны излучения 980 нм, 1064 нм, 1300 нм, 1550 нм.

5.Исследования одночастотных полупроводниковых лазеров с

ВБР на длинах волн 980.....1550 нм. Найдено, что генерация

происходит на длинах волн в узком спектральном интервале менее 1 МГц, задаваемом спектральной селективностью брэгговских волоконных решеток (~1 - ЗА).

6. Результаты исследований, показывающих, что при настройке лазера на максимум мощности линия генерации сужается, и спектр генерации становится одночастотным со степенью подавления боковых мод более 30 дБ.

7. Результаты исследований, показывающих, что спектр генерации у лазера с волоконно-брэгговской решеткой остается одночастотным в широком интервале изменения температуры и тока накачки, как в непрерывном, так и в импульсном режиме работы.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских, международных конференциях и симпозиумах. В частности:

- IX Международная научно-техническая конференция "Высокие технологии в промышленности России", г. Москва, сентябрь 2003 г.;

- Пятый Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, г. Кисловодск, 2004 г.

Передающие оптические модули ПОМ-21, ПОМ-22, ПОМ-23 демонстрировались на международных выставках:

- Лазер-2001, Лазер-2003, г. Мюнхен, ФРГ;

- "Связь-Экстком", г. Москва, 2002,2003, 2004 гг.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных работах, в том числе 6-и тезисах докладов и 2-х научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 106 страниц, включающих 3 таблицы и 42 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обосновывается ее актуальность, приведены научные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена исследованию и выбору путей создания одночастотных полупроводниковых лазеров. Глава обзорно- аналитическая.

Раздел 1.1 посвящен анализу требований к полупроводниковым лазерам для высокоскоростных волоконно-оптических линий связи и проблем создания лазеров с узким спектром генерации, частоты которых близки между собой [6].

Новые поколения цифровых систем уплотнения по длинам волн (DWDM) отличаются увеличением скоростей передачи информации и дальнейшим уплотнением по длинам волн. Количество каналов (до 160) в современных DWDM системах требует использования фиксированной длины волны каждого лазера. Для обеспечения высокого качества сигнала используемым обычно источником является одночастотный полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB) или с распределенным брэгговским зеркалом (DBR). Введение дифракционной решетки в полупроводниковый лазер обеспечивает воздействие на оптические характеристики выходного излучения, позволяя перестраивать и стабилизировать длину волны излучения путем выбора периода решетки и угла падения излучения, соотношение между которыми

связано условием Брэгга: тХ^сктв, где /и-порядок отражения, Я -длина волны падающего излучения, с1 -период решетки, в -угол падения излучения. Создавая дифракционную решетку с требуемыми параметрами можно обеспечить перестройку длину волны излучения и контролировать спектральный состав излучения. К сожалению, технология создания дифракционных решеток внутри объема резонатора полупроводникового лазера достаточно сложна и дорога.

В качестве более дешевого альтернативного источника является лазер с внешним резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки. Разрабатываемые в настоящее время для нового поколения систем мультиплексирования лазеры с фиксированной частотой имеют лучшие характеристики, чем лазеры с распределенной обратной связью.

Раздел 1.2 посвящен рассмотрению физико-технологических способов получения одночастотного режима генерации полупроводникового лазера [7].

В инжекционных лазерах с собственными (неселективными) резонаторами интервал мощности излучения, где наблюдается одночастотная генерация, очень ограничен, причем с увеличением поперечных размеров активной среды этот интервал быстро сокращается.

Длина полупроводникового лазера много больше длины волны, вследствие чего у него существует множество резонансных продольных мод. При этом несколько продольных мод вблизи спектрального максимума линии усиления лазера имеют примерно одинаковые коэффициенты усиления и обычно генерируются одновременно. В частности, высокочастотная прямая модуляция приводит к значительному изменению концентрации носителей в лазере, вследствие переходных эффектов и, следовательно, к существенно многомодовой генерации. Наиболее принципиальные и неустранимые ограничения спектральной ширины линии в лазерах возникают вследствие влияния спонтанного излучения. Спектральная ширина линии тем уже, чем меньше доля спонтанного излучения над вынужденным излучением. Следовательно, для получения одночастотного режима генерации в широком интервале

токов накачки и сужения ширины линии генерации, необходимо осуществлять селекцию мод за счет внешних дифракционных решеток или за счет изготовления лазеров с распределенной обратной связью (РОС) или с брэгговским распределенным отражением (РБО).

В лазерах с РОС и РБО обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, образуется за счет периодического изменения показателя преломления внутри оптического волновода. В лазерах с РОС область усиления находится в среде с периодическим изменением показателя преломления (рис.1), а в лазерах с РБО периодическая среда расположена на краях области усиления и выполняет роль пассивного распределенного брэгговского отражателя (рис.2).

Рис.1 ПЛ с РОС.

Рис.2. ПЛ с РБО.

Раздел 1.3 посвящен рассмотрению процессов, протекающих в одночастотных ПЛ с волоконно-брэгговской решеткой (рис.3).

Рис.3. Система с внешним резонатором с брэгговской решеткой:

а) волокно (3) с брэгговской решеткой (4) перед передней гранью лазерного диода (1) с волноводным слоем (2);

б) волокно с брэгговской решеткой за задней гранью ЛД.

Для получения оптических волокон с брэгговской решеткой используется поперечный голографический метод. Волокно облучается сбоку двумя пересекающимися когерентными пучками УФ - излучения лазера с длиною волны 244 нм, создавая периодические интерференционные картины, которые записывают (фиксируют) соответствующий период создаваемой дифракционной решетки в сердечнике волокна.

Во многих случаях использование лазеров с волокном с дифракционной решеткой предпочтительнее использования лазеров с распределенной обратной связью или лазеров с распределенным брэгговским зеркалом, во-первых, что они основаны на лазерах типа Фабри-Перо (ФП-лазерах), технология создания которых разработана давно и стоимость которых существенно ниже. Кроме того, волокна с брэгговскими решетками обеспечивают намного большую точность и стабильность длины

волны, чем полупроводниковые брэгговские решетки, что обеспечивает лучшие характеристики приборов из-за более низкой температурной чувствительности волокон. Последнее обстоятельство часто позволяет использовать системы с брэгговскими решетками без применения термоэлектрического охлаждения, что способствует снижению потребляемой мощности и цены.

При взаимодействии лазерного диода с волокном с брэгговской решеткой рассматриваются три основных типа стабилизации излучения лазерных диодов при использовании таких волокон:

одномодовые лазеры с решеткой, локализованной вблизи выходной грани диода для обеспечения стабильной одночастотной генерации;

- лазеры с синхронизацией мод, в которых диоды модулируются на одной из множества частот внешнего резонатора;

- лазеры, работающие в режиме «разрушения когерентности», в которых расстояние между решеткой и лазером превышает длину когерентности лазерных мод.

Проведена оценка стабильности длины волны генерации полупроводникового лазера с ВБР. Выходящее излучение лазерного диода с просветляющим покрытием связано с оптическим волокном и с узкополосной (0,1-0,Знм) брэгговской решеткой. Изменения температуры или тока накачки вызывает изменения длины

полупроводниковой секции , которая приводит к

соответствующему изменению длины волны излучения X

АЛ = АЬлд /Ьлд. л

О.Ч О.Ч Л»

где - общая длина оптического резонатора, которая включает

полупроводниковую и волоконную секции и область зазора.

Так как в обычно намного больше , и т. к. оптические о.ч о.ч

волокна имеют низкую чувствительность к изменениям в

окружающих условиях, то температурная и токовая зависимость

гибридного лазера обычно намного меньше, чем в случае DFB и DBR-лазеров.

Вторая глава посвящена созданию одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

Раздел 2.1 посвящен исследованию физико-технологических свойств и выбору эпитаксиальных структур полупроводникового лазерного диода. Рассмотрены конструктивные особенности волноводного слоя полупроводникового лазерного диода Активная область ДГС-лазера образует симметричный волновод, когда четверной твердый раствор InGaAsP, образующий активную область, с двух сторон окружен фосфидом индия InP [8].

На рис.4 дано схематическое изображение такой трехслойный структуры с толщиной активной области do и толщиной волноводного слоя W(di+do+d2)- В трехслойном волноводе состав четверного твердого раствора InGaAsP распределяется следующим образом: средний - активная область соответствует длине волны 1.3 мкм, а прилегающие с двух сторон к активной области слои имеют состав, соответствующий длине волны 1.06 мкм. Это делает скачок ширины запрещенной зоны на границе между InGaAsP (1,3) и InGaAsP (1,06) достаточно большим для того, чтобы ограничить большинство носителей в InGaAsP, соответствующему длине волны 1,3 мкм. В то же время скачок показателя преломления на этой границе при малых значениях do не обеспечивает оптического ограничения. Скачок показателя преломления на границах между InGaAsP (1.06 мкм) и InGaAsP (1,3 мкм) служит для создания оптического ограничения и тем самым формирует оптический волновод.

Рассмотрены технологические процессы выращивания эпитаксиальных структур для лазерных диодов: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), газофазная эпитаксия (ГФЭ), МОС гидридная эпитаксия (MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).

Оценены их преимущества и недостатки на различных стадиях формирования структур.

Рис.4. Схема двухсторонней гетероструктуры с раздельным ограничением

(ДГС-РО).

Представлены данные о фосфиде индия и других материалов и об оборудовании, используемых при изготовлении лазерных диодов. Описаны процессы промывки пластин, растворов, металлов и других материалов и очистки водорода. 1пР использовали особо чистоты как отечественного так и производства зарубежных фирм. Графитовые детали изготавливали из микропористого графита марок МПГ-6 и МПГ-8. В качестве испарителей использовались

вольфрамовая, танталовая и молибденовая фольга толщиной 0,05...0,2 мм.

Описаны процессы ориентирования пластин 1пР, их резки, шлифовки, полировки.

В работе использовались эпитаксиальные структуры на основе 1пОаАзР/1пР (длина волны излучения 1060,1300, 1550 нм) с квантово-размерными слоями, изготовленными методом МОС-гидридной эпитаксии [3]. Геометрические размеры квантово-размерной структуры на основе ЬЮаАзРЛпР с четырьмя квантовыми ямами представлены на рис. 5.

Структура выращивалась на подложке п - 1пР с ориентацией (100). Концентрация составляла 2.1018 см"3. Затем растились буферный слой п-1пР толщиной 0,5 - 2 мкм, легированный до концентрации 5.10"17 см"3, и нелегированный четверной твердый

/МлР р. 1пР

Рис.5. Геометрия квантово-размерной лазерной структуры ЬЮаАзРЛпР на длину излучения Х= 1550 нм.

раствор 1пОаАзР (по составу соответствует длине волны 1250 нм) толщиной 100 нм, являющийся волноводным слоем. Далее на нелегированного твердого раствора 1пОаАз, соответствующего длине волны 1550 нм, последовательно формировались четыре квантовых ямы. Толщина каждой ямы составляла 3-5 нм. В промежутках между квантовыми ямами выращивались нелегированные барьерные (более широкозонные) слои четверного твердого раствора ЫОаАэР, соответствующего длине волны 1200 нм, толщиной 20 нм каждый. После этого выращивался нелегированный волноводный слой толщиной 100 нм (на длину волны 1200 нм), на который затем наращивался эмиттерный слой р-1пР толщиной ~ 2 мкм, легированный Ъл до концентрации 2.1018 см"3 . В процессе эпитаксиального роста в качестве источников компонентов 3-й группы использовались металлоорганические соединения триметилиндий и триметилгаллий, источниками компонентов пятой группы служили гидридные газы - арсин и фосфин. Диэтилцинк являлся источником акцепторной примеси, моносилан - донорной примеси.

Геометрические размеры более сложной квантово-размерной эпитаксиальной структуры, используемой в работе, показаны на рис.6. Структура содержит шесть квантовых ям и семь барьеров.

Рис.6. Геометрия квантово-размерной эпитаксиальной структуры ЛД с шестью квантовыми ямами и семью барьерами.

Раздел 2.2 посвящен исследованию и выбору параметров основных процессов изготовления лазерных диодов с заращенным мезаполоском.

Весь технологический цикл изготовления инжекционного лазера разделен на следующие основные процессы : 1. Подготовка материалов и выращивание эпитаксиальных структур: а) входной и выходной контроль фосфида индия и исходных материалов (измерение концентрации, подвижности носителей и плотности дислокаций); б) ориентация слитков фосфида индия по

плоскости (100); в) механическая обработка фосфида индия (резка на пластины, шлифовка, полировка); г) химическая обработка пластин и исходных материалов; д) выращивание эпитаксиальных структур методом МОС-гидридной эпитаксии (эпитаксиальный рост структуры, контроль геометрии структуры, контроль уровня электролюминесценции гетероструктуры).

2. Формирование маскирующих диэлектрических полосок 810?:

а) нанесение БЮг на гетероструктуру со стороны эпитаксиальной пленки; б) фотолитографическое формирование полосок БЮг (1-я фотолитография).

3. Травление 1пР: а) ионное плазменное травление 1пР; б)химическое формирование мезаполоски, протяженной в направлении (011).

4. Выращивание мезаполоски.

5. Плазмохимическое снятие пленки 8107.

6. Формирование омических контактов: а) нанесение новой пленки 8Ю2, изолирующей боковые области; б) фотолитографическое формирование полосок 8Юг для изоляции боковых областей (2-я фотолитография); в) химическая обработка поверхности эпитаксиальной пленки под омический контакт; г) напыление омического контакта АиБп на п-ОаАэ; д) фотолитографическое травление слоя Аи8п с пленки ЭЮг между мезаполосками (3-я фотолитография); е) химико-динамическое утоныпение пластины до 100 мкм; ж) напыление омического контакта Аи8п на п-ваАз, р+ГпОаАэР; з) вжигание омических контактов в среде водорода; и) напыление СгАи на п- 1пР и р - 1пР-стороны пластины.

7. Формирование активного элемента: а) скалывание пластин на активные элементы с одновременным формированием зеркальных граней резонатора; б) нанесение просветляющих и отражающих покрытий на основе многослойных диэлектрических пленок; в) сборка активного элемента лазерного диода на медный теплоотвод (на контактную пластину).

В результате проведенных экспериментов была определена температура нанесения диэлектрической пленки 8Юг - 400°С, и время осаждения - 1 час. Толщина пленки при этом составила 1500... 1800 А.. В данной работе было определено влияние формы и ориентации мезаполоски на параметры лазера. Установлено, что

предпочтительной является форма мезаполоски, ориентированной в направлении [011] на плоскости (100).

Одним из важных технологических процессов при формировании мезаструктуры является процесс фотолитографии и травления мезы необходимой геометрии. Используемый фотошаблон имел ширину 3 мкм, расстояние между полосками - 400 мкм. Травление фоторезиста осуществлялось травителями на основе Вгг . Скорость травления составляла 1 мкм/мин при комнатной температуре.

Оптимизация процедуры травления позволило воспроизводимо получать мезаструктуры заданной формы с необходимыми параметрами активной области. Наименьшие размеры активной области в лазерах заращенного типа, полученные в данной работе, составили 0,5... 1 мкм. Заданные размеры мезаполоски достигались после двухстадийного травления мезы первоначально химическим, а затем, перед процессом наращивания, раствором - расплавом в эпитаксиальной установке. Материалом для заращивания является InP или InGaAsP в зависимости от состава активной области (длины волны излучения лазера). Главным требованием к изоляционным слоям является исключение утечек тока вне активной области [9,10].

Исходя из вышеизложенных требований, были проведены оценки обратного напряжения в зависимости от концентрации легирующей примеси к п- и р -InP и их толщин. Проведенные оценки показали, что концентрация доноров в n - InP слое не должна превышать 1.1017 см"3, а толщина слоя (базы р - п - р - транзистора) должна быть не менее 1 мкм. Концентрация акцепторов в р - InP -слое и n-InP 3...5.1017 см"3, толщина не менее 2...3 мкм. Конструкция заращенной мезаполоски, представленная на рис.7, отвечает вышеизложеным требованиям.

В работе также исследовалась конструкция лазерного диода с недотравленной активной областью, показанная на рис.8.

Заращивание мезаполоски в данном случае осуществлялось высокоомным слоем ZnSe из молекулярного пучка в вакууме. На переднюю и заднюю грани резонатора наносились отражающие и

просветляющие покрытия с коэффициентом отражения 0,05% на переднюю и 99% на заднюю грань соответственно.

Рис.7. Конструкция ЛД с заращенной мезой.

Рис. 8. Конструкция ЛД с изоляцией цинк-селен.

В разделе 2.3 рассмотрены вопросы формирования волоконно-брэгговской решетки в одномодовом световоде и его согласования с лазерным диодом.

При выполнении диссертационной работы формирование волоконно-брэгговских решеток в сердцевине одномодового волокна осуществлялось в Научном Центре Волоконной Оптики ИОФ РАН, возглавляемым академиком Диановым Е, М. . Световод облучался двумя пересекающимися когерентными пучками УФ-излучения лазера с длиной волны 244 нм, образуя периодические интерференционные картины, которые записывают (фиксируют) соответствующий период создаваемой дифракционной решетки за счет изменения коэффициента преломления сердцевины волокна,

Период брэгговской решетки составлял 0,53 мкм для длины волны излучения одномодового лазерного диода 1550 нм. Расчет периода решетки проводился исходя из соотношения [11]. Л /(2пЭфф), где Л - период решетки, - брэгговская длина волны, йЭфф -эффективный показатель преломления световода на заданную длину волны. Протяженность области решетки вдоль световода составляла 3 мм и менялась в ходе проведения экспериментов до 10 мм. Вторым важным параметром волоконно-брэгговской решетки 4 является селективность. В данной работе были использованы решетки с контуром селективности от 0,1 до 0,5 нм. Чем меньше ширина контура селективности волоконно-брэгговской решетки, тем уже ширина линии излучения лазерного диода, селектируемой данной решеткой. С целью повышения эффективности ввода лазерного излучения в световод с ВБР на конце световода изготавливалась микролинза.

В данной работе использовалась установка для формирования микролинз методом оплавления.

Типовая эффективность соединения между лазерным диодом и конусообразным концом одномодового волокна составляет приблизительно 50%, причем наличие конуса ослабляет отражение от конца волокна на объемный резонатор лазера, тем самым, сводя до минимума шумы оптической обратной связи. Метализированный световод с ВБР надежно закреплялся относительно лазерного диода с помощью микропечки твердым припоем.

Раздел 2.3 посвящен конструированию лазеров с ВБР и выбору оптимальных параметров лазерных диодов и световодов с ВБР, входящих в их состав. По результатам исследований характеристик лазерного диода с ВБР были выработаны принципы конструирования одночастотного лазера с волоконно-брэгговской решеткой. Схема реализации конструктивного построения одночастотных лазеров с ВБР на длине волны 1064 нм представлена на рис.9. [12,13]

СП/

А

МЩнхм

К к

-¿•¡Юми*.

у V / / >'///>/ / /

' "¿^П * // ■</">» * / , /Г^ * // // ✓ ✓/// /| //( *

Л6

Рис.9. Конструкция одночастотного лазера с ВБР (1 = 1064 нм).

Схема реализации конструктивного построения одночастотных лазеров с ВБР на длине волны 1530... 1560 нм представлена на рис.10 [14,15,16,17]. Для реализации длин волн 1530... 1560 нм с интервалом 0,8 нм период решетки изменялся, исходя из соотношения Л=)ц5Р /(2йэфф ), где Л - период решетки, -брэгговская длина волны, пЭфф - эффективный показатель преломления световода на заданную длину волны.

2 1 3

Рис.10. Конструкция одночастотного полупроводникового лазера с ВБР (к= 1550 нм).

В третьей главе представлены результаты исследований основных характеристик одночастных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

Раздел 3.1 посвящен исследованиям ватт-амперных характеристик. По ватт-амперным характеристикам инжекционных лазеров с волоконно- брэгговской решеткой были определены порог генерации, квантовая эффективность, дифференциальное сопротивление диода, ток модуляции, эффективность ввода лазерного излучения в одномодовый световод и многие другие параметры лазеров. На рис.11 показана ватт-амперная

характеристика лазерного диода с А.=1550 нм и их зависимость от температуры, и на рис.12 - характеристики ЛД с А.=1060 нм. Лазерные диоды с >.=1060 нм имеют более слабую зависимость порогового тока от температуры.

Рис. 11. Зависимость ватт-амперных характеристик ЛД (Х= 1550 нм) от температуры.

Интервал тока накачки зависит от теплового сопротивления лазерного диода. Чем меньше сопротивление лазерного диода, тем больше токовый интервал, при котором имеет место перескок мод Фабри-Перо. Соответственно, чем больше межмодовое расстояние в спектре излучения лазерного диода, тем больше токовый интервал

накачки лазерного диода. Перескок мод Фабри-Перо практически полностью исключается при снижении добротности резонатора лазерного диода, что достигается за счет глубокого просветления (10 ) передней грани резонатора активного элемента.

В разделе 3.2 исследовано влияние параметров световода с ВБР на величину порогового тока в лазерах с ВБР.

Плотность тока на пороге генерации при линейной зависимости коэффициента усиления тока имеет вид:

/пор(А/см2) = ^ + -^-(а1 Дщ!), 77 77/р Ь Я

где ]0 - ток инверсии, 77- квантовая эффективность, Г - фактор оптического ограничения, с1 - толщина активной области, /? - фактор усиления, а- вынужденные потери, обусловленные поглощением, (1/Ь)1п(1/11) - потери, обусловленные наличием ВБР, Я -коэффициент отражения ВБР, Ь- длина резонатора.

Расчетные значения плотности порогового тока для лазеров с квантово-размерными слоями активной области и с волоконно-брэгговскими зеркалами с коэффициентом отражения 11=0,5

л

составили jnop=200 А/см; при этом й ~ 0,01 мкм, Ь- 1000 мкм, т]=\, Г= 1, а, « 10 см"1, м>=3 мкм.

Исследования зависимости порогового тока от коэффициента ввода лазерного излучения в световод с ВБР и от коэффициента отражения ВБР показали что минимальное значение порогового тока 20 мА достигнуто при коэффициенте ввода 50% и конструктивном значении коэффициента отражения ВБР 11= 80%. При 11=20% 1пор составил 30 мА , коэффициент ввода 10%. Учитывая то, что при коэффициенте отражения ВБР 80% из световода выходит только 20% полезной мощности лазерного излучения, в практических условиях целесообразно сделать решетку с коэффициентом отражения 40-50%

В разделе 3.3 исследовался модовый состав излучения лазеров с ВБР с конструкциями лазерных диодов, приведенных на

рис 11 (*= 1060 нм) и на рис.12 (Х= 1550 нм). В обеих конструкциях активные области представляют прямоугольные диэлектрические волноводы у которых ширина волновода * намного больше толщины а. Критическая ширина активной области, при которой возможно существование моды нулевого порядка в данной работе

' МКМ- Толщина * активной области имела значения от и,их до 0,1 МКМ.

г

Рис.12. Зависимость ватг-амперной характеристи ЛД (1^1060 нм) от температуры: 1 - ватт-амперная характеристика;

2 - падение напряжения на ЛД.

Исследование зависимости возбужденной фундаментальной моды от ширины мезаполоски показало, что расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной р-п переходу, составила 4и; в плоскости, параллельной р-п переходу составила 12° расходимость излучения не изменяется при изменении тока накачки Исследования, проведенные по изучению зависимости модового состава от температуры, показали, что модовый состав лазеров с

изменяется. °ВСК0^ РеШеТК°Й С ИЗМенением температуры не

В разделе 3.4 исследовались спектры генерации, по которым определяется динамически одночастотный режим работы полупроводникового лазера. Измерение ширины линии генерации и

исследование перестроечных характеристик лазеров производились с помощью волоконных интерферометров Маха-Цандра в Научном центре волоконной оптики при ИОФ РАН. На рис. 13 а,б,в представлены спектральные характеристики лазерного диода: а) до просветления передней грани; б) после просветления передней грани; в) после эффективной стыковки с ВБР. Длина волны исходного лазера составляла 1576 нм (рис. 13а). Полуширина линии спектра излучения АЛ =4,5 нм. Модовое расстояние между продольными модами составляло 1,5 нм. Ток накачки 40 мА. После просветления (рис.136) лазер имел длину волны 1550 нм, полуширина линии излучения 41 нм, при этом максимум огибающей длины волны излучения относительно исходного ЛД смещался в коротковолновую сторону на 26 нм, что связано с вносимыми при просветлении потерями на выход. Ток накачки 100 мА. Спектр излучения на выходе ВОК после эффективной стыковки ЛД с ВБР содержит одну продольную моду на длине волны 1553,6 нм (рис.1 Зв). Ток накачки 50 мА. Длина волны излучения ЛД с ВБР точно соответствует длине волны решетки Брэгга. Полуширина линии излучения, измеренная с помощью интерферометра Маха-Цандра, составила 100 кГц. При этом пик моды Фабри-Перо лазерного диода совпадал с максимумом спектра отражения решетки. Длина резонатора лазерного диода составляла 400 мкм, ширина мезаполоски 3 мкм.

Исследования зависимости спектра генерации лазеров с ВБР с длинами волн 1530, 1290, 1061 нм от тока накачки и температуры показали, что длина волны излучения и одночастотный режим генерации остаются неизменными при изменении тока от 50 до 100 мА и температуры от 10 до 50°С.

Полученные результаты представляют существенный интерес для создания лазерных источников с различными требуемыми длинами волн для ВОЛС со спектральным уплотнением. Контур усиления полупроводникового лазера после просветления достаточно широкий (30-40 нм), а волоконные решетки могут быть изготовлены практически для любой области спектра из диапазона длин 0,8-1,6 мкм, который включает в себя области минимальных оптических потерь 1,3 и 1,55 мкм в световодах.

~~ ^ 576НМ Рис13. Спектральные характеристики:

40 МА

5Л. = 1.5 им А А. = 4.5 им

а) ЛД до просветления передней грани

1580 X нм

1500

Х„. = 1550

ДХ = 41 нм

1560 Х,[»~.]

б) ЛД после просветления передней грани

-47

Х=1553.6нм

•»Р

^ЮкГц

1543 5 нм 15535

15635

2нидел

в) ЛД с ВБР на выходе ВОК

В разделе 3.5 приведены результаты ресурсных испытаний лазеров с ВБР, собранных в серийно выпускаемых корпусах передающих оптических модулей типа 14 ртЛШ, и "Баттерфляй". Ресурсные испытания в интервале температур до 70°С проводились в течение 3000 часов, при комнатной температуре в течении 10000 часов. По ресурсу работы представленные в работе лазеры с ВБР соответствуют требованиям к полупроводниковым лазерам, используемым в волоконно-оптических линиях связи [18,19].

В четвертой главе представлены конструкции и основные характеристики созданных передающих оптических модулей (ПОМ) с ВБР.

В разделе 4.1 описаны конструкции ПОМ с ВБР. Передающие оптические модули для волоконно-оптических линий связи изготавливаются в металлокерамическом или

металлостеклянном корпусе типа 14 рт-01Ь или "Баттерфляй". Модули включают в себе лазерный диод, фотодиод обратной связи, элемент Пельтье, термосопротивление, одномодовый световод с волоконно-брэгговской решеткой, микропечь для крепления ВОК к ЛД.

Общий вид ПОМ с ВБР в корпусе 14 рш-Б1Ь показан на рис.14, и в корпусе "Баттерфляй" - на рис. 15.

Рис.14. Общий вид ЛД с ВБР в корпусе 14 рт-01Ь.

Рис.15. Общий вид ЛД с ВБР в корпусе типа "Баттерфляй".

В разделе 4.2 представлены основные параметры передающего оптического модуля ПОМ-21. ПОМ-21 изготавливается в корпусе 14 pin-DIL или "Баттерфляй". Длина волны - 1061 нм, полуширина линии излучения - 100 кГц, пороговый ток- 25 мА, рабочий ток - 65 мА, мощность излучения -10 мВт. Основные области применения ПОМ-21: медицина, экология, спектроскопия высокого разрешения, оптическая связь, метрология и др.

В разделе 4.3 представлены основные параметры передающего оптического модуля ПОМ-22. ПОМ-22 изготавливается в корпусе 14 pin-DIL или "Баттерфляй". Длина волны излучения - 1270 ...1350 нм, малая полуширина линии излучения - менее 100 кГц, пороговый ток - 25 мА, рабочий ток - 60 мА, Мощность излучения - 10 мВт. Основные области применения ПОМ-22: волоконно-оптические линии связи, медицина, экология, метрология, спектроскопия и др.

В разделе 4.4 представлены основные параметры передающего оптического модуля ПОМ-23. ПОМ-23 изготавливается в корпусе 14 pin-DIL, "Баттерфляй" и mini 8 pin-DIL. Длина волны излучения - 1510 ...1557 нм, сверхузкая

полуширина линии излучения - менее 10 кГц, пороговый ток - 45 мА, рабочий ток - 70 мА, Мощность излучения - 10 мВт. Одночастотный режим излучения в интервале тока накачки от 45 до 70 мА. Основные области применения ПОМ-23: волоконно-оптические линии связи со спектральным уплотнением каналов, магистральные волоконно-оптические линии связи с расстоянием между ретрансляционными участками до 200 км, метрология, открытые атмосферные линии связи и др.

Основные результаты работы

1. В результате комплексного теоретического и экспериментального исследования обоснована актуальность создания и производства полупроводниковых лазеров с волоконно- брэгговской решеткой, сформулированы основные направления исследований и обобщений физических основ конструирования полупроводниковых лазеров с ВБР, разработок конструкций и технологий изготовления лазерных диодов, световодов с ВБР и передающих оптических модулей. Количественно обоснованы системы оптических и электрических параметров полупроводниковых лазеров с ВБР. Сформулирована номенклатура полупроводниковых лазеров с ВБР, необходимая для создания на их основе волоконно-оптических линий связи локальных и магистральных систем.

2. В области физических основ конструирования полупроводниковых лазеров с ВБР проведены исследования и обобщения, позволившие:

- обосновать базовую конструкцию активного элемента на основе заращеной мезаполосковой конструкции и гребневидного мезаполоска, обеспечивающие малые размеры тела свечения (1...2 мкм), малые токи накачки, одномодовый режим генерации, линейность ватт-амперных характеристик, стабильное пространственное распределение поля, хороший теплоотвод, надежность и долговечность;

- установить количественные зависимости плотности порогового тока, квантовой эффективности и угла расходимости лазерного излучения от геометрии активного элемента;

- обосновать условия получения непрерывного режима генерации, в том числе одномодового; показано, что ширина мезаполоски при

одномодовом режиме генерации составляет не более 3 мкм при толщине активной области 0,1 мкм.

3. Разработана технология изготовления полупроводникового лазера с ВБР с высокими технико-экономическими показателями в условиях производства.

4. Проведен комплекс исследований основных характеристик разработанных полупроводниковых лазеров с ВБР:

- минимальное значение порогового тока получено 20 мА при ширине мезаполоски 3 мкм;

- максимальное значение мощности излучения в непрерывной генерации составило 20 мВт, в импульсном режиме 75 мВт;

- типичное значение мощности излучения 5... 10 мВт при токе накачки 50.. .70 мА;

- спектр генерации соответствует динамически одночастотному лазеру и имеет одну непрерывную моду.

5. Основными отличительными свойствами одночастотных лазеров явилась малая (мене 1 мГц) ширина спектра генерации, стабильность спектра в динамическом режиме генерации.

6. Проведены исследования ресурса работы лазеров. Гарантированная минимальная наработка выпускаемых лазеров с ВБР составляет 50 тыс.ч, расчетное значение среднего ресурса работы достигает 105 ч.

7. В результате проведенной работы решена научно-техническая задача по созданию и организации выпуска передающих оптических модулей ПОМ-21, ПОМ-22, ПОМ-23, имеющих характеристики на уровне лучших, а по некоторым параметрам и превышающих лучшие зарубежные образцы.

Цитированная литература.

1. Ж.И Алферов, Д.З. Гарбузов, Л.М. Долгинов, П.Г. Елисеев, М.Г. Мильвидский. Многокомпонентные полупроводниковые твердые растворы и их применение в оптоэлектронике. // Вестник АН СССР, 1978, №4. с.31-38

2. Ж.И. Алферов, А.Т. Горепенок, В.Н. Колышкин. Инжекционные гетеролазеры в системе ЫваАвР с длинной волны излучения 1,3 -1,5 мкм. // Письма в ЖТФ, 1978, т. 4, выпуск 22, с. 1329/1333.

3. Е.Г. Голикова, В.П. Дураев, С.А. Козаков. В.Г. Кричель. Лазеры на основе 1пОаАзР/1пР с квантово-размерными слоями. // «Квантовая электроника», 22, №2,1995, с. 105-107.

4. В.П. Дураев, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков, В.В. Шишков.Одночастотный полупроводниковый лазер на Х=1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном световоде.// «Квантовая электроника», 1998, т. 25, №4, с. 301-302.

5. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков. Полупроводниковый лазер с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530- 1560 нм. // «Квантовая электроника» 31, №6 (2001) с. 529-530.

6. В.П. Дураев. Инжекционные лазеры (обзор).// Электронная техника, с. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1980, выпуск 1 (II)/с. 3-10.

7. В.П. Дураев, Оптоэлектронные компоненты для современных ВОЛС. // «Обозрение прикладной и промышленной математики», т. 11, выпуск 1,2003 г. Москва.

8. В.П. Дураев. Инжекционные лазеры с длиной волны излучения 1,3 -1,55 мкм (обзор). // Электронная техника, с.И. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1984, выпуск 3(29), с. 13-27.

9. Ю.В. Гуляев, В.П. Дураев и др. Инжекционные лазеры на основе 1пОаАзР/1пР зарощенные методом МОС-гидридной эпитаксии. // Письма в ЖТФ, 1982, т.8, выпуск 11, с. 680.

10. В.П. Дураев, Ж.И. Алферов и др. Патент № 1348536 (Англия), 1971 г., Патент №2121354 (ФРГ) 1970 г., Патент №88365 (Италия) 1970 г., № 1378789 (Франция) 1971 г.

11.М.И. Беловолов, Е.М. Дианов, В.П. Дураев и др. Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на ВБР. // Препринт №6,2002 г. ИОФРАН

12. В.П. Дураев, Патент № 2019013 от 30.10.1994. Патент № 2022429 от 30.08.1994. Оптический передающий модуль и способ сборки передающих оптических модулей.

13. В.П, Дураев, К.И. Климов. Оптоэлектронные компоненты современных BOJ1C. // Обозрение прикладной и промышленной математики, т.11, выпуск 3,2004, с. 543.

14. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков. Одночастотный полупроводниковый лазер с ВБР с длиной волны излучения 1550 нм. // «Лазерные новости» 2004 г.

15. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой на длину волны 1553,6 нм. // «Лазерные новости», Lazer News, 4/2001, с. 53.

16. К.И. Климов, Лазеры для информатики. // Высокие технологии в промышленности России. Материалы IX Международной научно-технической конференции, сентябрь 2003 года. Москва, Россия.

17. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, М.А. Сумароков. Полупроводниковые оптические усилители. // «Лазерные новости», Lazer News, 1-2/ 2004, с. 87.

18. К.И. Климов. Научно-технический отчет «Кипр», инв. №300/380,2002 г.

19. К.И. Климов. Научно-технический отчет, инв. №380/03, 2003 г. Технические условия. Передающий оптический модуль ПОМ-21,22,23. ВАНЕ 413769.019ТУ.

Список публикаций по теме диссертации.

1. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530- 1560 нм. // «Квантовая электроника» 31, №6 (2001) с. 529-530.

2. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков. Полупроводниковые лазеры с волоконно-брэгговской решеткой на длину волны 1553,6 нм. // «Лазерные новости», Laser News, 4/2001, с. 53.

3. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, М.А. Сумароков. Полупроводниковые оптические усилители. // «Лазерные новости», Laser News, 1-2/2004, с. 87.

4. В.П. Дураев, К.И. Климов. Оптоэлектронные компоненты современных ВОЛС. // Обозрение прикладной и промышленной математики, том 11, выпуск 3,2004, с. 543.

5. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков. Одночастотный полупроводниковый лазер с ВБР с длиной волны 1500 нм.// «Лазерные новости», 2004 г.

6. К.И.Климов. Лазеры для информатики. // Высокие технологии в промышленности России. Материалы IX Международной научно-технической конференции, сентябрь 2003 года. Москва, Россия.

7. К.И. Климов. Научно-технический отчет «Кипр», инв. №300/380,2002 г.

8. К.И. Климов. Научно-технический отчет, инв. №380/03, 2003 г. Технические условия. Передающий оптический модуль, ПОМ-21, 22,23. ВАНЕ 413769.019ТУ.

i

I }

I

I

I

I

I

I

I*

*

i

Í

f

tm*-

КЛИМОВ КИРИЛЛ ИГОРЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ С ВОЛОКОННО-БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКОЙ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Объем 1,0 печ. л. Тираж 100 экз. ООО «Альфа-Девелопмент» г. Москва, Краснопресненская наб., д. 10/4

«20 0 09

РЫБ Русский фонд

2006-4 22232

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПУТИ СОЗДАНИЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ.

I 1.1 Общие положения и требования к полупроводниковым лазерам

I от условия их применения.

1.1.1 Одночастотный режим генерации полупроводникового лазера.

1.1.2 Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью

РОС) и распределенным брэгговским отражателем (БРО):.

1.1.3 Полупроводниковые лазеры с внешним дисперсионным I отражателем.

1.2 Полупроводниковые лазеры с волоконно-брэгговскойфешеткой

ВБР).

I 1.2.1 Волоконно-брэгговские решетки и их взаимодействие с лазерным диодом:.

1.2.2 Режим одномодовой генерации лазера с ВБР.

1.2.3:Режим синхронизации мод. 29* ф 1.2.4 Режим разрушения когерентности.

1.3 Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ С ВОЛОКОННО-БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКОЙ.

2Л Эпитаксиальные структуры.

2.1.1 Конструктивные особенности волноводного слоя полупроводникового лазера.

2.1.2 Способы формирования эпитаксиальных структур.

2.U3 Исходные материалы и оборудование, используемые в работе.

2.1.4 Эпитаксиапьные структуры, используемые в работе.

2.2: Лазерные диоды.

2.2:1 Классификация процессов изготовления лазерного диода.

2.2.2 Нанесение диэлектрических покрытий и фотолитографическое травление мезаполосковых структур;.

2.2.3 Заращивание мезаполосковых структур и нанесение отражающих и просветляющих покрытий.49^

2.3 Волоконно-брэгговские решетки:.

2.3.1 Формирование волоконно-брэгговских решеток.

2.3^ Формирование микролинз на торцах оптических волокон;.

2.3;3 Эффективность согласования лазерного диода с волоконнобрэгговской решеткой:.

2.4 Принципы конструирования лазера с волоконно-брэгговской решеткой;.

2:5 Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОЧАСТОТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ с ВОЛОКОННО-БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКОЙ;.

Ф 3.1 Ватт-амперные характеристики полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

3.2: Пороговый ток.

3.3 Модовый состав излучения;.

3.4 Спектры излучения;.

3.5 Ресурс работы.

3.6 Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ С ВБР.

4:1 Конструкция передающих оптических модулей с ВБР:.

4.2 Передающий оптический модуль ПОМ-21.

63 67 71:

4.3 Передающий оптический модуль ПОМ-22.

4.4 Передающий оптический модуль ПОМ-23.

4.5 Выводы к главе 4.

Общая характеристика:работы.

Актуальность проблемы.

Полупроводниковые лазеры, представляют наиболее динамично развивающуюсяjчасть физики и технологии полупроводников, а взаимосвязь, фундаментальных иг прикладных исследований в i этой области представляет прогресс мировой оптоэлектронной промышленности.

Одним из наиболее важных применений полупроводниковых лазеров является волоконно-оптическая связь. Здесь предъявляются взаимосвязанные требования* к волоконным? световодам: и источникам излучения; таким как полупроводниковый лазер, для повышения основного параметра линий связи - пропускной^ способности. Существенными характеристиками: волоконного световода являются потери пропускания и хроматическая дисперсия. В* настоящее время, когда в волоконных световодах достигнут теоретический предел потерь пропускания, больше внимания уделяется хроматической дисперсии; При этом взамен традиционных лазеров, использующих резонатор Фабри-Перо и обладающих широким спектром; генерации в режимах прямой модуляции с высокой скоростью, потребовались новые источники излучения; К таким;устройствам относятся; динамически одночастотные лазеры, которые устойчиво работают в режиме генерации1 одной продольной моды даже при высокочастотной прямой; модуляции.

В г работе представлены последовательные этапы создания и исследования динамически одночастотных полупроводниковых лазеров.

Первые одночастотные лазеры с коротким резонатором на длине волны 840 нм на основе арсенида галлия появились в начале шестидесятых годов.

В 1978 году появились первые работы о создании полупроводниковых лазеров на основе твердых растворов InGaAsP с длиной волны излучения 1300 нм [1,2]. Однако для получения высокоэффективных приборов; работающих в одночастотном режиме генерации на длине волны 1550 нм, потребовались десятилетия [3,4].

Для i создания физико-технологических основ динамически одночастотных полупроводниковых; лазеров- для волоконно-оптических линий; связиiсо спектральным уплотнением каналов требовалось понимание: фундаментальных: физических и технологических процессов в лазерах с: волоконно-брэгговскими решетками [5]. Таким образом*, диссертационная? работа, посвященная созданию» технологии; изготовления? hi исследованию1 динамически^ одночастотных полупроводниковых лазеров3 с волоконно-брэгговской решеткой, является актуальной как: с научной;, так и с практической точек зрения.

Цель работы

Основная цель работы состояла в исследовании свойств, разработке физических основ и технологии получения! динамически; одночастотных: полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

Для достижения: поставленной цели решался следующий комплекс задач:

- Расчет и конструирование: одночастотного полупроводникового лазера с внешним! дисперсионным резонатором на основе волоконно-брэгговской решеткш

- Разработка физико-технологических основ создания одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткош

- Исследование основных электрофизических и? оптических характеристик одночастотных лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

Научная новизна.

1. Рассчитаны и определены условия работы динамически одночастотных полупроводниковых лазеров с внешним! дисперсионным резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки.

2. Предложена и реализована конструкция и базовая технология изготовления одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой.

3; На» основе разработанной технологии! созданы динамически стабильные одночастотные полупроводниковые лазеры с волоконно-брэгговской решеткой в диапазоне длин? волн 980:.1550 нм с шириной линии излучения менее 1 МГц:

Достоверность и обоснованность полученных результатов? подтверждается! удовлетворительным согласием: теоретических оценок и экспериментальных результатов.

Представленные результаты, по которым сформулированы! научные положения, получены впервые.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования процессов создания; одночастотных полупроводниковых лазеров на основе InP и GaAs и условий i получения динамически одночастотного режима генерации полупроводникового лазера с внешним резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки.

2. Конструкция: одночастотного полупроводникового лазера с внешним селективным резонатором на основе волоконно-брэгговской? решетки, включающая:

- активный элемент лазерного диода;

- одномодовый волоконный световод с волоконно-брэгговской решеткой и со сферической линзой на конце;

- микроохладитель (элемент Пельте);

- микропечь;

- фотодиод обратной связи;

- корпус типа 14 pin DIL или "Баттерфляй''.

У. Промышленная технология изготовления одночастотного полупроводникового лазера с внешним селективным резонатором на основе волоконно-брэгговской решетки.

4. Создание ряда одночастотных полупроводниковых лазеров на основе волоконно-брэгговской решетки с длиной волны излучения 980 нм, 1064 нм, 1300 нм, 1550 нм.

5. Исследования одночастотных полупроводниковых лазеров с ВБР на длинах волн 980.1550 нм. Найдено, что генерация происходит на длинах волн в узком спектральном интервале менее 1 МГц, задаваемом спектральной селективностью брэгговских волоконных решеток (~1 - ЗА).

6. Результаты исследований, показывающих, что при настройке лазера на максимум мощности линия генерации! сужается, и спектр генерации становится одночастотным со степенью подавления боковых мод более 30 дБ.

7. Результаты исследований, показывающих, что спектр генерации у лазера с волоконно-брэгговской решеткой; остается одночастотным; в широком интервале изменения температуры и тока накачки, как в непрерывном, так и в импульсном режиме работы.

Практическая ценность работы.

Полученные лазеры нашли широкое применение в различных отраслях науки и техники и особенно в волоконно-оптических линиях связи (BOJIC) со спектральным уплотнением информационных каналов (WDM и DWDM).

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских, международных конференциях и симпозиумах. В частности: - IX Международная научно-техническая конференция "Высокие технологии в промышленности России", г. Москва, сентябрь 2003 г.;

- Пятый Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, г. Кисловодск, 2004 г.

Передающие оптические модули ПОМ-21, ПОМ-22, ПОМ-23 демонстрировались на международных выставках:

- Лазер-2001, Лазер-2003, г. Мюнхен, ФРГ;

- "Связь-Экспоком", г. Москва, 2002, 2003, 2004 г.г.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных работах, в том числе в 5-ти тезисах, в 1-м докладе в материалах научно-технической конференции: и 2-х научно- технических отчетах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка* литературы. Работа содержит 106 страниц, включающих 3 таблицы и 42 рисунка.

Основные результаты диссертационной работы можно обобщить в виде следующих положений:

Г. В результате комплексного теоретического^ и экспериментального» исследования обоснована актуальность создания и производства! полупроводниковых лазеров i с волоконно-брэгговской решеткой,, сформулированы основные направления; исследований! и обобщений? физических основ конструирования» полупроводниковых лазеров с ВБР, разработок конструкций и технологий излучателей и передающих оптических модулей. Количественно обоснованы системы оптических m электрических параметров полупроводниковых лазеров с ВБР: Сформулирована номенклатура полупроводниковых; лазеров # с ВБР,5 необходимая для создания на их основе волоконно-оптических линий связи локальных и магистральных систем.

2. В? области физических основ конструирования; полупроводниковых лазеров с ВБР проведены исследования и обобщения, позволившие:

- обосновать базовую конструкцию активного элемента на? основе1 зарощеной мезаполосковош конструкции; и гребневидной мезаполоски, обеспечивающие малые размеры тела свечения; (Г. .2 мкм), малые токи накачки, одномодовый режим генерации, линейность ватт-амперных характеристик, стабильное пространственное распределение поля излучения, хорошии теплоотвод, надежность и долговечность;

- установить количественные зависимости плотности порогового тока, квантовой эффективности и угла расходимости лазерного излучения от геометрии активного элемента;

- обосновать условия получения непрерывного режима генерации, в том числе одномодового; показано, что ширина мезаполоски при одномодовом режиме генерации составляет не более 3 мкм при толщине активной области 0,1мкм.

3. Разработана технология изготовления полупроводникового лазера с ВБР с высокими технико-экономическими показателями в условиях производства.

4. Проведен комплекс исследований основных характеристик разработанных полупроводниковых лазеров с ВБР:

- получено минимальное значение порогового тока 20 мА при ширине мезаполоски 3 мкм;

- максимальное значение мощности излучения в непрерывной генерации составило 20 мВт, в импульсном режиме 75 мВт;

- типичное значение мощности излучения составило 5.10 мВт при токе накачки 50.70 мА;

- спектр генерации соответствует динамически одночастотному лазеру и имеет одну продольную моду.

5. Основными отличительными свойствами одночастотных лазеров явилась малая (менее 1 МГц) ширина спектра генерации,, стабильность, спектра, в. динамическом режиме генерации.

6. Проведены; исследования ресурса работы лазеров. Гарантированная минимальная наработка выпускаемых лазеров с ВБР составляет 50 тыс.ч, расчетное значение среднего ресурса работы достигает 105 ч.

7. В результате проведенной работы решена научно-техническая задача по созданию и организации выпуска передающих оптических модулей ПОМ-21, ПОМ-22, ПОМ-23, имеющих характеристики на уровне лучших, а по некоторым параметрам и превышающих лучшие зарубежные образцы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алферов; Ж.И., Гарбузов Д.З., Долгинов JI.M., Елисеев П.Г., Миловидский M.F. Многокомпонентные полупроводниковые; твердые растворы и их применение в оптоэлектронике. // Вестник АН СССР; 1978, с.31-36.

2. Алферов; Ж.И., Гореленок А.Т., Колышкин В.Н., Коньев П.Е., Мндивани В.Н., Тарасов И.С., Тибилов В.К., Усиков А.Р. Инжекционные гетеролазеры в системе InGaAsP волны излучения 1,3 1,5 мкм. // Письма ЖТФ, 1978; т.4 В.22-С, 1329-1333.

3. Голикова Е.Г., Дураев В.П., Козиков С.А., Кригель В.Г., Лабутин О.А., Швейкин В.И. Лазеры на основе InGaAsP/InP с квантово-размерными слоями.// "Квантовая электроника", 22, N2, 1995, с.105-107.

4. Дураев В.П., Неделин Е.Т., Недобывайло Т.П., Сумароков М.А., Шишков В.В. Одночастотный полупроводниковый лазер на X = 1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном; световоде. // "Квантовая электроника", 1998, т.25, N40, с.301-302.

5. Дианов ЕлМ. На пороге тераэры. // "Квантовая электроника", 2000, г.ЗО, N8, с.11-21.

6. Вавилова Л.С., Иванова А.В., Капитонов В.А., Марашова А.В., Пихтин Н.А., Фалеев Н.Н. Самоорганизующиеся наногетероструктуры в твердых растворах InGaAsP.// ФТП, 1998, N8, с.11-21.

7. Jour, of Lightwave Technol., 1997, VI5, N8, pp.1263-1276.

8. Corrett I. Review Components and Sistem for Longwove Length Monomode Fiber Transmission.// Optical and Qvantum Elektronics, 1982, v. 14, N2 p.95.

9. Белов A.B., Гурьянов А.И., Девятых F.F., Дианов Е.М., Прохоров A.M. Стеклянный волоконный световод; с потерями менее 1 дб/км. // "Квантовая электроника", 1977, т.4, N10, с.2041.„

10. Лившиц Д.А., Егоров АЛО., Кочнев И.В., Капитонов В.А., Лантдатов В.М., Леденцов Н,Н., Налет Т.А., Тарасов И.С. Рекордные мощныехарактеристики на основе InGaAs/AlGaAs/GaAs-гетероструктур.// ФТП, 2001, т.35, в.З -с.380-384.

11. Elektron.Lett, 2002,V38,N25,pp.l676-1677.

12. Proc.GLEO CPD12-1-2,Baltimore, MO,USA,2001. 13i Electron.Lett, 2002, V38,N23, pp.1441-1443.14: IEEE J: Selekt.Top. Quant. Electron,2001, 7, pp.152-158. 15; 27 th ECOC, Amsterdam, 2001, Tu.B; 1.6.

13. Ellectron. Lett., 1994, V30, pp.496-499.

14. IEEE Photon. Technol. Lett., 1999, VI1, N1, pp. 15-17. 181 Europhotonics, 2002, V7, pp.36-37.

15. J. Appl. Phys. 1993, VI6, pp.33-40.

16. Appl. Phys. Lett., 1978, V32, pp.647-649;

17. J. Appl. Phys. 1994, V76, pp.73-80.

18. C.A. Васильев, О.И. Медвсдков, И.Г. Королев, Е.М. Дианов. Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения. // Спецвыпуск «Фотон-Экспресс-Наука 2004».

19. Ellectron. Lett., 2002, V38, N24, рр.1555-1556.

20. Ellectron. Lett., 1991, V27, pp.1115-1116.

21. Appl. Phys. Lett., 1994, V64, pp.2634-2636.

22. Ellectron. Lett., 1988, V24, pp.1439-1441. 27: Ellectron. Lett., 1992, V28, pp.561-562:

23. Ellectron. Lett., 1994, V30, pp.2147-2148:

24. Appl. Opt., 1995, V34, pp.6859-6861.

25. IEEE Phot. Tech.Lett. 1993, V5, pp.628-630.

26. Proc.21st Turopean Conf. Opt. Comm.(ECOC 95) Brussels, 1995, paperTu.P.26, pp.477-480.

27. Electron. Lett, 1996, V32, pp.119-120.33. CLE097, paper CMG1

28. Electron. Lett, 2002, V38, N24 pp.1535-1537.

29. J. Lightwave Technol., 1986, V4, pp. 1655-1661.

30. IEEE Photon. Technol. Lett., 1994, V6, pp.907-909;

31. Electron. Lett., 1994, V30, pp.2147-2148;38: Fiber Comm. Conf (OFC 96) SanJose, CA, 1996,paper ThG3 pp 229-230.39: Electron. Lett., 1996, V32, pp.561-563.

32. Дианов E.M. и др. // "Квантовая электроника'', 23, 1059 (1996).41 .Васильев М.Г.,Дураев В.П.,Лосякова JI.C.,Неделин Е.Г.,Швейкин В.И., Шелякин Л.А. Инжекционный лазер на основе InP-GalnAsP. // Электронная? промышленность, 1981, в.5-6.

33. Authony P.L., Pawlib J.R., Saminathap V., Tsang W.T. Reduced Threshold! Current Temperature Dependenct in Double Heterostructure Lasers Due to Separate p-n and Heterojunctions. // IEEE J.Quantum Electronics, 1983, v.QE-19, N6, pp.1030-1034.

34. Dan Botez. InGaAsPAnP Double-Heterostructure Lasers Simple Expressions for Wave Confinement Beamwidth and Threshold Current over Wide Ranges in Wavelength (1,1-1,65 mm). // IEEE J.Quantum Electronics, 1981, N2, pp.178

35. Елисеев П:Г. Введение в физику инжекционных лазеров. // М., "Наука", 1983.

36. Камия Т. Физика полупроводниковых лазеров.// Москва, "Мир', 1989:

37. Wille W., Ng and Dapkus P.D. Growth and Characterization of 1,3 Mm CW GalnAsP/InP Lasers by Liguid-Phase Epitaxy. // IEEE J.Quantum Electronics, 1981; v.QE-17, N2, pp. 193-198.

38. Васильев М.Г.,Долбнев В.П.,Дураев В.П.,Неделин E.F., Швейкин В.И., Шелякин Л.А. Способ получения инжекционного гетеролазера. // Авторское свидетельство №175625 от 1.09.1981.

39. Алферов Ж.И., Арсентьев И.Н., Вавилова JI.C., Гарбузов Д.З., Тулашвили Э.В. Видимые низкопороговые импульсные и непрерывные InGaAsP/InGaP/GaAs ДГ лазеры на область 0,83-0,79 мкм. // ФТП, 1984, в.1.

40. Научно-технический отчет №Ф 16007, Mi, ЦНИИ "Электроника", 1983.

41. Дураев В.П. Инжекционные лазеры (обзор). // Электронная техника. Сер Л1. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1980, вып.1(11), с.3-10.

42. Научно-технический отчет №Х08272. MJ, ЦНИИ "Электроника", 1980.

43. Дураев В.П. Инжекционные лазеры с длиной'волны излучения 1,3-1,55 мкм (обзор). // Электронная техника; СерЛ 1. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1984, вып.3(29), с.13-27.

44. Дураев В.П. и др. Инжекционные лазеры на основе InGaAsP/InP зарощенные методом МОС-гидридной эпитаксии. // Письма в ЖТФ, 1982,т.8, в.11*, с.680.

45. Bouley J.C., Chaminant G., Charil J., Devoldere P., Gilleron M. Aschottky-barrierdefm Lated Stripe Structure for a GalnAsP-InP CW Laser. // Appl. Phys. Lette. 1981, v.38,Nl 1, pp.845-847.

46. Nishi B.H., Yano M., Hori K. Self-Aligued Structure InGaAsP/InP DH Laser.//Fuyitsu Sei; Tech. J., 1982, v. 18, N2, pp.287-305.

47. Logan R.A., Henry C.H., Vander Ziel J.P., Temkin H. Low-Threshold; GalnAsP/InP Mese Laser.// Electronics Letters, 1982, v.18, N18, pp.782-783;

48. Ю.В. Гуляев, В.П. Дураев и др. Инжекционные лазеры на основе InGaAsP/InP зарощенные методом МОС-гидридной эпитаксии: // «Письма в. ЖТФ, 1982 т.8, выпуск 11, с.680.

49. Васильев М.Г., Горбылев В.А., Дураев В.П. Основные характеристики инжекционных лазеров на основе InGaAsP/InP. // Тезисы докладов 111 Всесоюзной конференции по BOJIC, М., 1981.

50. Nelson R.J.,Dutta N.K. Colculated Auger rates and Temperature Dependen-se of Threshold for Semiconductor Lasers Emitting at 1,3 and 1,55 mkm. // J.Appl. Phys., 1983, v.6, N54, p.2923.

51. Toshio Kunibira Iwamota, Raya Long. Dominance of Auger Recombination in InGaAsP/InP Light Emitting diode current. // IEEE Trans, on Electron De-vices, 1988, v.ED-30,N4, pp.316-319.

52. Adame A.R, Asada Mi, Suematsu Y., Arai S. The Temperature Dependence of the Effieiency and Threshold; Current of UIni.xGaxAsyP).v Lasers Related to intervalence Band Absorption.//Jap.J. Appl. Phys., 1980, v. 19, N10, pp.L621-L624

53. Алешков A.A., Дураев В.П., Елисеев П.Г., Неделин Е.Г., Швейкин В.И., Шевченко Е.Г., Долгинов JI.M. Авт. свидетельство №175856, приоритет от 28.9.81.

54. Дураев В.П. Патент №1348536, приоритет от 30.4.1971, (Англия).

55. Дураев В.П. Патент №88365, приоритет от 30.04.1970, (ГДР).

56. Дураев В.П., Неделин Е.Г. и др. Одночастотный полупроводниковый? лазер на к= 1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном световоде. // "Квантовая электроника", 25, N4, (1998).

57. М.И. Беловолов, Е.М. Дианов, В.П. Дураев и др. Полупроводниковые лазеры с гибридным резонатором на ВБР. // «Предпринт №6, 2002 г. ИОФРАН».

58. Лускинович П.И; Расчет эффективности ввода излучения из п/п излучателей. // Всесоюзная конференция по ВОЛС.М;, 1981г.73; Ввод лазерного излучения в одномодовый световод с ВБР. // НТО «Клад», М;, АОЗТ «Новая лазерная техника», 2004 г.

59. Дураев В.П;,Елисеев П.Г. и др. Ввод в волоконный световод излучения t зарощенных мезаполосковых лазеров; работающих в диапазоне 1,2-1,6 мкм."Квантовая электроника", 10, N3; (1983), 633;

60. П.Г. Елисеев. Влияние режима работы инжекционного лазера и способа согласования на эффективностью ввода излучения в м/м световод. // Предпринт ФИАН, М„ 1978, N177.

61. Hi Kuwahara/ // Аррк/ Optics, 19,2578; (1980).

62. Дураев В.П. и др. // Патент, №8175; Лазерный; инжекционный излучатель. 1998 г.

63. В.П. Дураев, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М.А. Сумароков; К.И; Климов. Полупроводниковый лазер с волоконно-брэгговской; решеткой; и; узким спектром генерации на длинах волн 1530-1560 нм. //"Квантовая» электроника", 31, N6, (2001), с.529-530.

64. В.П. Дураев, К.И; Климов, Е.Т. Неделин, Т.П. Недобывайло, М:А. Сумароков. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой на длину волны 1553,6 нм. // «Лазерные новости», Lazer News, 4/2001, с.53.

65. Дураев В.П. //Докторская диссертация, Москва, 1989 г, НИИ "Полюс".

66. Gascy Н.С. Temperature Dependens of Thres-Hold Current Density in InGaAs/InP (k= 1,3 mkm) DHL. // J.Appl. Phys., 1984, v.7, N56, pp. 1959-1964.

67. Дураев; В.П,. Шейченко B.A. и др. Температурная зависимость гетеролазеров.// Тезисы; докладов 111 Всесоюзной? конференции по ВОЛС, М, 1981.

68. Moser A., Romanova K.M;, Schmid W., Pilkumt M.H., Schlosser E. Evidence fon Auger and free-Carrier Losses in GalnAsP-InP Lasers;Spektroscopy of a Short Wavelength Emission.//Appl. Phys. Lett., 1982, v.41, N10; pp.964-966.

69. Дураев В.П., Неделин Е.Г. Зависимость порогового тока от ширины мезаполоски зарощенных мезаполосковых лазерных структур.// Электронная-техника. Cep. l 1. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1983!, в.4(26), с.107.

70. Дураев В.П. Лазеры и приемники для ВОЛ С.//Москва, 2001, НТО, АОЗТ "Нолатех".

71. В.П, Дураев, К.И. Климов. Оптоэлектронные компоненты для современных ВОЛС. // Обозрение прикладной и промышленной математики, том 11, выпуск 3, 2004. С.543.

72. В.П.Дураев, К.И. Климов, Квантово-размерные слои AlInGaAs/InP и лазеры иа их основе. // Высокие технологии в промышленности России. Материалы IX Международной научно-технической конференции, сентябрь 2003г. Москва, Россия.

73. В.П. Дураев, К.И. Климов, Е.Т. Неделин, М.А. Сумароков. Полупроводниковые оптические усилители. // « Лазерные новости», Lazer News, 1-2/2004, с.87.

74. К.И. Климов. Научно-технический отчет «Кипр», инв.№300/380. Создание одночастотных лазеров с ВБР с длиной волны 1300 и 1550 нм; 2002.

75. Adachi S. Rafrective Indices of 111-Y Conponnds Key Properties of InGaAsP Relevasid to Device Desing. //J.Appl. Phys. 1982, v.53, N8, p.5863.

76. Дураев В.П., Елисеев П.Р., Неделин Е.Г., Швейкин В.И; Одномодовые инжекционные лазеры с длиной волны излучения 1,3 мкм.//Электронная промышленность, 1983, вып.4(12), с.ЗЗ.

77. Технические условия. ВАНЕ.433796.013ТУ. Москва, 2001, АОЗТ "Нолатех".

78. Технические условия. ВАНЕ.433796.021ТУ. Москва, 2001, АОЗТ "Нолатех".

79. Патент №2019013 от 30.Х.1994 г. "Оптический передающий модуль". Авторы Дураев В.П. и др.

80. Патент №2022429 от 30.08.94. "Способ сборки передающих оптических модулей". Авторы Дураев В.П. и др.

81. К.И. Климов. Научно-технический отчет, инв. №380/03, 2003 г. Передающий оптический модуль, ПОМ-21, ПОМ-22, ПОМ-23. Технические условия ВАНЕ 413769.019ТУ, 2003.

82. Авторское свидетельство №8175 от 16.X. 1997 г. Дураев В.П.