научная статья по теме ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР-МОДУЛЯТОР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР-МОДУЛЯТОР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 6, с. 440-443

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.373.826

ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫМ ИНЖЕКЦИОННЫИ ЛАЗЕР-МОДУЛЯТОР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2013 г. Е. А. Рындин1, М. А. Денисенко2

1Южный научный центр Российской АН 2Южный федеральный университет E-mail: rynenator@gmail.com, dema.bmfe@gmail.com Поступила в редакцию 25.02.2013 г.

Предложены метод построения и структура инжекционных лазеров с функционально-интегрированными частотными модуляторами оптического излучения, характеризующихся максимальными частотами модуляции терагерцового диапазона. Предложенная структура инжекционных лазеров-модуляторов обеспечивает возможность их изготовления в едином технологическом цикле с использованием традиционных технологических операций.

DOI: 10.7868/S0544126913060094

Разработка высокоскоростных микросхем с оптоэлектронными компонентами является актуальным направлением современной оптоэлек-троники. Одна из основных проблем — получение быстродействующих источников и модуляторов оптического излучения и их интеграция на кристалле с использованием традиционных полупроводниковых технологий. В связи с этим необходимо предусматривать комплекс мер, направленных на решение проблем интеграции всех оптоэлек-тронных компонентов в единой системе, обеспечение необходимого быстродействия и скорости передачи данных в системе в целом.

В работе [1] как один из возможных способов решения проблемы предложена концепция "двухуровневой" системы, объединяющей вычислительные ядра, выполненные на основе традиционных кремниевых технологий и металлических межсоединений, и быстродействующую оптоэлек-тронную систему коммутации этих ядер с использованием технологий материалов группы АШВУ, причем практическая реализация такой системы возможна в едином технологическом процессе.

Методы модуляции лазерного излучения можно разделить на внешние и внутренние. Внешние методы предполагают модуляцию параметров сформированного лазерного луча, а внутренние обеспечивают модуляцию посредством воздействия на сам квантовый генератор, то есть модуляцию луча в процессе его формирования [2]. Внешняя модуляция подразумевает использование отдельных устройств — модуляторов, структуры которых получают, как правило, в отдельном

технологическом цикле, а внутренняя реализуются посредством управления плотностью тока накачки лазера, что отрицательно влияет на динамику процесса модуляции [2].

В качестве основного элемента подобных систем предлагается использовать функционально-интегрированную структуру, сочетающую в себе как источник, так и модулятор оптического излучения. В описанных в [3] устройствах с помощью методов зонной инженерии реализована такая наногетероструктура, в которой амплитудная модуляция осуществляется за счет пространственной передислокации максимумов амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях. По результатам моделирования [3, 4], частота модуляции в таких источниках-модуляторах оптического излучения может достигать единиц терагерц.

Однако в ряде случаев в системах оптической коммутации возникает необходимость в частотной модуляции оптического излучения. Цель данной работы — рассмотрение возможности создания интегральных инжекционных лазеров с функционально-интегрированными частотными модуляторами, обеспечивающими модуляцию стимулированного излучения в терагерцовом диапазоне частот.

В современных интегральных микросхемах в большинстве случаев используется двухуровневая логика. Таким образом, целесообразно обеспечить спектр модулированного оптического сигнала, содержащий два основных максимума, т.е. обеспечить управляемое изменение длины волны

Рис. 1. Зонные диаграммы наноструктуры функционально-интегрированного частотного модулятора и соответствующие распределения концентраций электронов и дырок при противоположных направлениях управляющего электрического поля (Ес, Еу — границы зоны проводимости и валентной зоны; Е^п, Ерр — квазиуровни Ферми для электронов и дырок).

лазерного излучения между определенными значениями и А,2, что позволит упростить структуру и технологический маршрут изготовления разрабатываемого лазера-модулятора.

Предлагаемую в данной работе концепцию построения функционально-интегрированных лазеров-модуляторов отражают зонные диаграммы активной области наноструктуры частотного модулятора и соответствующие распределения концентраций электронов п(х) и дырокр(х) при противоположных направлениях управляющего электрического поля, схематически представленные на рис. 1.

Приведенная структура образована комбинацией гетеропереходов первого и второго типов. Изменение направления поперечного управляющего поля в них приводит к передислокации максимумов плотности электронов и дырок в противоположных направлениях, т.е. к противоположным гетерограницам квантовых ям. При этом использование пространственно смещенных квантовых областей в зоне проводимости и валентной зоне обеспечивает в первом состоянии квантовой системы пространственное совмещение максимумов плотности электронов и дырок в квантовых ямах активной области, разделенных запрещенной зоной шириной Ее1, а при противоположном направлении управляющего поля — пространствен-

ное совмещение максимумов плотности электронов и дырок в квантовых ямах, разделенных запрещенной зоной шириной Ее2. В результате осуществляется частотная модуляция стимулированного излучения с максимальной частотой модуляции, определяемой временем передислокации электронов или дырок в пространственно смещенных квантовых областях.

Может быть также реализован вариант наноструктуры функционально-интегрированного лазера-модулятора, предусматривающий, в отличие от рис. 1, одну квантовую яму в зоне проводимости и две в валентной зоне.

С учетом проведенного анализа, метод построения быстродействующих инжекционных лазеров-модуляторов на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в пространственно смещенных квантовых областях может быть сформулирован следующим образом:

— инжекционный лазер-модулятор представляет собой наноструктуру, в которой функционально интегрированы области вырожденного р-п-пере-хода с соответствующими омическими контактами и гетероструктура частотного модулятора в виде системы квантовых областей с управляющими контактами;

442

РЫНДИН, ДЕНИСЕНКО

1 — полуизолирующая

GaAs подложка

2 — p-GaAs

3 — n-GaAs

4 — 1п^а! -

5 — GabSb1 _ ^

6 — IncGa1 _ ^

7 — п^^

8 — металл

Р+

—У

-л-V

5 6 7

Рис. 2. Структура инжекционного лазера с функционально интегрированным частотным модулятором.

— продольное электрическое поле создает неизменный во времени уровень инжекции носителей заряда и, соответственно, инверсную заселенность энергетических уровней в квантовых ямах активной области лазера, а поперечное поле управляющих затворов модулятора позволяет изменять длину волны стимулированного излучения между значениями Х1 и Х2 за счет управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций электронов и дырок в квантовых ямах активной области;

— с использованием методов зонной инженерии создается наноразмерная гетероструктура, в которой квантовые ямы в зоне проводимости пространственно смещены относительно квантовой ямы в валентной зоне, как показано на рис. 1 таким образом, что при одном направлении управляющего поля наблюдается пространственное совмещение максимумов плотности электронов и дырок в квантовых ямах активной области, разделенных запрещенной зоной шириной ЕС1, а при противоположном направлении управляющего поля — пространственное совмещение максимумов плотности электронов и дырок в квантовых ямах, разделенных запрещенной зоной шириной ЕС2;

— при неизменном во времени уровне инжекции электронов и дырок в активную область лазера, суммарное число носителей заряда в квантовых ямах при изменении направления поперечного управляющего поля остается практически неизменным, в результате чего максимальная частота модуляции лазерного луча определяется не временем накопления и рассасывания носителей заряда в активной области лазера, а временем управляемой передислокации максимумов амплитуды волновых функций электронов и дырок

в квантовых областях зоны проводимости и валентной зоны, которое, согласно результатам численного моделирования, приведенным в [4, 5], составляет (2.0—0.8) х 10—13 с, в зависимости от параметров квантовых ям и потенциальных барьеров лазера, что соответствует частотам тера-герцового диапазона;

— резонатор лазера-модулятора формируется стандартными для инжекционных лазерных структур методами и представляет собой резонатор Фабри—Перро. Учитывая, что спектр оптического излучения предложенного устройства содержит максимумы излучения на длинах волн Х1 и Х2, длина резонатора должна быть одновременно кратной и Х1/2, и А,2/2.

На основе предложенного метода построения разработана структура быстродействующего функционально-интегрированного лазера-модулятора с частотной модуляцией излучения, представленная на рис. 2.

Пространственное смещение квантовых ям в данной структуре достигается за счет подбора компонентного состава полупроводниковых твердых растворов InaGa1 — aAs, GaSbbAs1 — ь, IncGa1 —

В отличие от традиционных инжекционных лазеров, имеющих вертикальную структуру, в предложенном лазере-модуляторе используется горизонтальный р—п-переход в сочетании с вертикальной наногетероструктурой функционально-интегрированного частотного модулятора. Данная особенность структуры приведет к определенному уменьшению градиентов концентраций легирующих примесей на границах активной области модулятора и высоколегированных п+ и ^+-областей, что необходимо учитывать в про-

цессе проектирования. Принимая во внимание, что суммарное число носителей в активной области лазера остается неизменным и практически не зависит от направления поперечного управляющего поля, максимальная частота модуляции ограничивается в данном случае в основном инерционностью управляемой передислокации носителей в пределах квантовых областей. При этом частотный модулятор представляет с собственно инже

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»