Температурно-стабильные быстродействующие микролазеры с квантовыми точками InGaAs на подложках кремния

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-72-10002

НазваниеТемпературно-стабильные быстродействующие микролазеры с квантовыми точками InGaAs на подложках кремния

Руководитель Иванов Константин Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" , г Санкт-Петербург

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова микролазеры, квантовые точки, интеграция А3В5 с кремнием, оптическая передача данных, тепловое сопротивление, моды шепчущей галереи, связанные оптические резонаторы

Код ГРНТИ29.33.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной целью проекта является исследование физических процессов, ограничивающих температурную стабильность характеристик микролазеров, предназначенных для применения в интегральных системах оптической связи; развитие методов улучшения температурной стабильности микролазеров, перенесенных на инородную подложку; и, как результат, реализация температурно-стабильного компактного источника лазерного излучения, гибридно интегрированного с кремнием и способного осуществлять оптическую передачу данных с высокими скоростями в условиях повышенных температур без принудительного охлаждения. Объектом исследования являются перенесенные на кремний инжекционные микролазеры на основе микрорезонаторов с модами шепчущей галереи (МШГ) с активной областью, представляющей собой сверхплотные массивы квантовых точек InGaAs. Такие микролазеры перспективны для использования в качестве оптических источников в разрабатываемых оптоэлектронных интегральных схемах, сочетающих как элементы кремниевой транзисторной логики, так и устройства микрооптики (волноводы, фильтры, устройства ввода-вывода и др.), предназначенных для обработки и обмена большими объемами данных. Использование квантовых точек позволяет снизить плотность тока, необходимую для достижения инверсии заселенности, а также достичь слабой чувствительности к поверхностной безызлучательной рекомбинации и структурным дефектам, тем самым давая возможность реализовать лазеры малого размера (~10мкм), обладающие низкими рабочими токами (~1 мА). В отличие от вертикально-излучающих лазеров, резонаторы с МШГ не требуют толстых брэгговских отражателей, что существенно упрощает технологию изготовления, а вывод излучения в плоскости подложки облегчает интеграцию с другими элементами. Оптический источник, предназначенный для использования в составе интегральной оптоэлектронной схемы, должен обладать малыми размерами и при этом работать при повышенных температурах, вызванных выделением тепла как самим микролазером, так и окружающими его элементами схемы. При этом весьма желательным является отказ от принудительного охлаждения, поскольку это позволяет уменьшить энергопотребление, увеличить автономность, снизить общие габариты. В то же время уменьшение размеров лазерного источника как правило сопровождается уменьшением площади теплового контакта и ведет, как результат, к увеличению его температурной чувствительности. Таким образом, в проекте поставлены две задачи, кажущиеся на первый взгляд взаимоисключающими – уменьшение размеров лазерного оптического источника и достижение высокой температурной стабильности его характеристик, и прежде всего скорости модуляции оптического сигнала. Реализация проекта позволит получить новые фундаментальные знания по физике микролазеров с квантворазмерной активной областью и, в частности, о природе оптических потерь в МШГ-резонатора, причинах температурной чувствительности пороговых и высокочастотных характеристик, а также проверить несколько гипотез относительно причин ограничения минимального размера микролазера, в котором возможно достижение лазерной генерации. Научная новизна проекта подтверждается тем, что в нем впервые будут выполнены исследования пороговых и динамических характеристик микролазеров с квантовыми точками, гибридно интегрированных с кремнием. Впервые для МШГ-микролазеров на основе квантовых точек будут экспериментально и теоретически исследована температурная зависимость динамических характеристик (скорости прямой модуляции, частоты релаксационных колебаний) и установлена их корреляция с размерами микролазера. Впервые будет выполнено детальное исследование энергии, затрачиваемой на передачу одного бита информации, при оптической передаче данных микролазером при повышенных температурах. Впервые будут исследованы оптические потери различной природы (вследствие рассеяния света на шероховатостях микрорезонатора, вследствие поглощения обедненным приповерхностным слоем и т.д.) и определены доминирующие механизмы и их зависимость от диаметра микролазера. Впервые для создания МШГ-микролазеров будут использованы лазерные гетероструктуры на основе оптически связанных волноводов, позволяющие снизить толщину промежуточных полупроводниковых слоев, располагающихся между активной областью микролазера и интерфейсом А3В5-кремний. Предполагается, что будут созданы микролазеры, обладающие толщиной промежуточных слоев менее 1 мкм, что позволит исследовать вклад пути отвода тепла в гибридную подложку и, в том числе, влияние теплового зазора между ней и активной областью микролазера, на его тепловое сопротивление и температурную стабильность характеристик. Главным практическим результатом проекта будет определение путей достижения и непосредственная реализация высокой температурной стабильности приборных характеристик МШГ-микролазеров, интегрированных с кремнием, увеличение их быстродействия и уменьшение энергозатрат при оптической передаче данных, и, таким образом, демонстрация микролазеров на кремнии с улучшенными приборными параметрами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения проекта в 2024-2025 году были выполнены все запланированные работы и получены следующие результаты. Методом оптического стробирования были получены временные зависимости отклика микролазера на импульсное возбуждение при работе с постоянной накачкой. Отклик демонстрирует пик генерации длительностью порядка 100 пс, что позволяет оценить предельно достижимую скорость передачи данных исследованными микролазерами в 10 Гбит/с. Исходя из результатов преобразования Фурье для полученных зависимостей, наибольшая ширина полосы модуляции в 5.8 ГГц достигается при накачке порядка 36 кВт/см2, при которой также достигается и максимальная дифференциальная эффективность. Изготовлены оптимизированные лазерные структуры с шестью рядами квантовых точек и оптимизированным профилем волновода. Из них изготовлены микродисковые лазеры, а также полосковые лазеры для определения внутренних и излучательных потерь в микродисках. Сформированы и исследованы микродисковые лазеры с мостиковым контактом. Исследование их генерации показало, что травление на глубину 23 мкм даёт вчетверо меньший порог, чем травление на грубину 20 мкм. Это вызвано рассеянием на выступе под мостиковым контактом – при меньшей глубине травления этот выступ больше. Диск, протравленный на 23 мкм, демонстрировал лазерную генерацию при температурах до 90°C. Был осуществлён монтаж микролазеров p-контактом на подложку кремния при различных режимах температуры и силы прижатия. В результате определены оптимальные параметры процесса, обеспечивающие стабильный электрический контакт и лазерную генерацию. Для смонтированных лазеров наблюдается увеличение тока теплового загиба в 1.5 раза и уменьшение теплового сопротивления в 3 раза по сравнению с микролазером до монтажа. Таким образом, гибридная интеграция при удачном исполнении позволяет улучшить температурные характеристики микролазеров благодаря эффективному отводу тепла через кремниевую подложку. Для микродисковых лазеров диаметром 20-30 мкм проведено сравнение динамических характеристик до и после гибридной интеграции с кремниевой подложкой. Для лазера диаметром 30 мкм до переноса на кремниевую подложку полоса модуляции F-3дБ составляла 5.44 ГГц, в то время как после интеграции на кремниевую подложку значение частоты модуляции выросло до 7.32 ГГц. Это наблюдается впервые для микродисковых лазеров в системе GaAs и является следствием более эффективного отвода тепла в кремниевую подложку. Для микролазеров, не подвергнутых гибридной интеграции или формированию мостиковых контактов, были исследованы шумовые характеристики. Продемонстрировано, что с увеличением тока уровень шума снижается, приближаясь к теоретическому пределу дробового шума. При рабочих токах выше 15 мА было измерено значение относительной интенсивности шума 145 дБ/Гц, что сопоставимо с относительной интенсивностью шума для одномодовых микролазеров. Было проведено моделирование АЧХ и исследовано влияние саморазогрева на предельно достижимую частоту модуляции в зависимости от диаметра микролазера и температуры теплоотвода. Оптимальным является размер 15-20 мкм, для которых при температуре 50°С ожидается достижение полосы модуляции свыше 5 ГГц при энергозатратах менее 5 пДж/бит. Были исследованы динамические характеристики микролазеров различного диаметра. Зависимость частоты отсечки от диаметра лазера немонотонна и имеет максимум для диаметров МШГ-лазеров 20-30 мкм. В области малых диаметров частота модуляции ограничена эффектами саморазогрева лазера и высоким тепловым сопротивлением из-за малого диаметра. С увеличением диаметра лазера увеличивается модовый объем, что также ограничивает частоту модуляции. При повышенной температуре (55°) также были измерены АЧХ микролазера диаметром 20 мкм. При этом полоса модуляции составила 3.73 ГГц, что удовлетворительно согласуется с теорией. Были проведены эксперименты по передаче псевдослучайной последовательности при помощи микродискового лазера со скоростью 5 Гбит/с. Согласно результатам измерения глазковой диаграммы, передача является безошибочной. Исходя из экспериментальных данных измерения АЧХ при повышенной температуре, наименьшие энергозатраты на передачу информации составляют 4.2 пДж/бит, при этом быстродействие превышает 3 ГГц. При максимальном быстродействии энергозатраты составляют 6.4 пДж/бит, что достаточно хорошо согласуется с теорией. Выполнены долговременные (1000 часов) деградационные испытания микролазеров при работе с током накачки, вдвое превышающем пороговый. Время работы на отказ оценено в 12300 часов при условии стабилизации температуры на уровне 18°С. Существенного изменения вольт-амперных, пороговых и спектральных характеристик микролазера не выявлено.

Публикации

1. Моисеев Э., Иванов К., Хабибуллин Р., Галиев Р., Павлов А., Томош К., Максимов М., Зубов Ф., Махов И., Нагрный А., Кулагина М., Калюжный Н., Минтаиров С., Крыжановская Н., Жуков А. Far-field patterns and lasing threshold of limaçon − and quadrupole-shaped microlasers with InGaAs quantum well-dots Optics and Laser Technology, vol. 183, p. 112299 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optlastec.2024.112299

2. Крыжановская Н.В., Моисеев Э.И., Надточий А.М., Мельниченко И.А., Фоминых Н.А., Иванов К.А., Комаров С.Д., Махов И.С., Луценко Е.В., Вайнилович А.Г., Нагорный А.В., Жуков А.Е. Output Power of III-V Injection Microdisk and Microring Lasers IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 31, no. 2: Pwr. and Effic. Scaling in Semiconductor Lasers, pp. 1-12 (год публикации - 2024)
10.1109/JSTQE.2024.3450812

3. Крыжановская Н. В., Махов И. С., Надточий А. М., Иванов К. А., Моисеев Э. И., Мельниченко И. А., Комаров С.Д., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Максимов М.В., Шерняков Ю.М., Жуков А.Е. Зависимость длины волны генерации от оптических потерь в лазере на квантовых точках Письма в журнал технической физики, Т. 50. № 21. С. 57–60. (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.21.58962.20039

4. Образцова А.А., Пивоварова А.А., Комаров С.Д., Федосов И.С., Иванов К.А., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А., Ильинская Н.Д., Яковлев Ю.П., Махов И.С., Крыжановская Н.В., Жуков А.Е. Микродисковые лазеры с вынесенной контактной площадкой мостиковой конструкции, сформированные жидкостным химическим травлением Физика и техника полупроводников (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта используются в ходе дальнейшего совершенствования технологий изготовления микролазеров, которые в перспективе могут быть применены в фотонных интегральных схемах для систем обработки и передачи информации.