Разработка конструкции и технологии создания полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1530-1565 нм для высокоскоростных оптических линий связи и сенсорных устройств


Руководитель

Антон Юрьевич Егоров, доктор физико-математических наук, член-корр. РАН
Профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники
Работа выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы», шифр 2017-14-579-0057, соглашение о предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г. № 14.578.21.0253 (Уникальный идентификатор ПНИЭР- RFMEFI57817X0253)
УДК: [535:621.373.8 535:621.375.8]
ГРНТИ: [29.33.15; 29.33.51; 29.31.21]
КОД МЕЖДУНАРОДНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ: [01.03.UK; 02.10.NS]
Индустриальный партнер: Акционерное Общество «ОКБ-Планета», г. Великий Новгород
Цель проекта
Разработка конструкции и технологии изготовления вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1530-1565 нм для использования в высокоскоростных оптических линиях связи, а также в качестве компонентной базы радиофотоники в перспективных системах радиолокации со скоростью передачи данных до 25 Гбит/с, а также исследование возможности использования разработанной технологии в сенсорных устройствах
На втором этапе ПНИЭР Университетом ИТМО получены следующие результаты:
Разработана конструкция и технология изготовления методом молекулярно-пучковой эпитаксии макетов полупроводниковых наногетероструктур для вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) спектрального диапазона 1530-1565 нм: верхнего и нижнего брэгговских отражателей, активной области ВИЛ спектрального диапазона, проведены их исследовательские испытания
Проведена оценка модального усиления различных типов усиливающей среды, что позволило оценить возможные частоты малосигнальной модуляции вертикально-излучающих лазеров и предложить пути их увеличения
Разработана конструкция и технология изготовления методом спекания макетов гетероструктур ВИЛ спектрального диапазона 1530-1565 нм, а также кристаллов ВИЛ спектрального диапазона 1530-1565 нм, проведены их исследовательские испытания
По результатам работ опубликовано 2 научных статьи в реферируемых журналах и принято участие в работе в 3 научных конференциях с докладом, подано 2 заявки на патент РФ
Проведено исследование спектров фотолюминесценции напряженных гетероструктур InGaAlAs/InGaAs/InP которое показало, что легирование примесью p-типа приводит к росту эффективности фотолюминесценции при малых уровня возбуждения по сравнению с гетероструктурой с нелегированными барьерами, а легирование барьеров до уровня (1−2)*10¹² см‾² приводит к подавлению безызлучательной рекомбинации
Будущее предназначение продукции
Высокоскоростная передача данных
Разработанный источник излучения позволит передавать оптический сигнал со скоростью до 25 Гбит/с на длине волны 1550 нм, что соответствует третьему окну прозрачности волоконно-оптических линий связи
Сенсорные устройства детектирования
Разработанные технологии и подходы позволят относительно легко расширить рабочий диапазон длин волн вертикально-излучающих лазеров и использовать их в сенсорных устройствах для детектирования аммиака (NH3) на длине волны 1522,5 нм и фторида водорода (HF) 1315 нм
Солнечные элементы
Разработанные технологии позволят создавать перспективные высокоэффективные солнечные элементы (КПД > 35%) за счет использования каскадов на подложках InP и GaAs
Планируемый результат
Технология эпитаксиального роста составных частей гетероструктуры вертикально-излучающего лазера методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Технология спекания полупроводниковых слоев с различными параметрами кристаллических решеток (слои GaAs и слои InP)
Экспериментальные образцы гетероструктуры и кристалла вертикально-излучающего лазера
Экспериментальный образец вертикально-излучающего лазера с волоконным выходом, способный передавать цифровой оптический сигнал со скоростью до 25 Гбит/с
Техническое задание на опытно-конструкторскую работу для дальнейшего развития и доведения результатов проекта до потребителя
Список опубликованных статей за два этапа:

  • Kolodeznyi E.S. et. al. Optical Gain of 1550-nm Range Multiple-Quantum-Well Heterostructures and Limiting Modulation Frequencies of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Based on Them // Optics and spectroscopy - 2018, Vol. 125, No. 2, pp. 238-242
  • Kolodeznyi E.S. et. al. On the Impact of Barrier-Layer Doping on the Photoluminescence Efficiency of InGaAlAs/InGaAs/InP Strained-Layer Heterostructures // Semiconductors - 2018, Vol. 52, No. 9, pp. 1156-1159
Список патентов за два этапа:

  • Заявка в ФИПС на полезную модель «Гетероструктура вертикально-излучающего лазера» рег. № 2018145471 от 21.12.2018
  • Заявка в ФИПС на полезную модель «Гетероструктура вертикально-излучающего лазера» рег. № 2018145472 от 21.12.2018
Список выступлений на конференциях за два этапа:

  • Колодезный Е.С. и др. Исследование оптических свойств легированных квантовых ям InGaAs спектрального диапазона 1550 нм //Тезисы докладов 19-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике - 2017. - С. 50
  • Kolodeznyi E.S. et. al. Effect of barrier doping on photoluminescence of 1550 nm range multi quantum well heterostructures // Proceedings of International Conference Laser Optics 2018 (ICLO 2018), IET - 2018, No. CFP1836X-ART, pp. 170
  • Kolodeznyi E.S. et. al. Photoluminescence efficiency of 1550 nm quantum well heterostructures with delta-doping barriers//Book Of Abstracts 5th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, IET - 2018, pp. 235-236
  • Рочас С.С. и др. ОПТИМИЗАЦИЯ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЛАЗЕРА, ИЗЛУЧАЮЩЕГО В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ 1530-1565 НМ // Сборник трудов X международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики – 2018» - 2018. - С. 376-378

Работа выполняется при поддержке МинОбрНауки РФ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы», шифр 2017-14-579-0057, соглашение о предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г. № 14.578.21.0253 (Уникальный идентификатор ПНИЭР - RFMEFI57817X0253)
Работа выполняется на факультете лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.
Дата начала: 26.09.2017 г.
Дата окончания: 31.12.2019 г.
Приоритетные направления развития РФ: Индустрия наносистем
Критические технологии РФ: Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств
Приоритетные направления развития Университета ИТМО: Оптика и фотоника