350 руб
Журнал «Наноматериалы и наноструктуры - XXI век» №2 за 2014 г.
Статья в номере:
Наноинженерия в процессе изготовления сплавной структуры длинноволнового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным каналом для радиофотоники
Ключевые слова: радиофотоника телекоммуникационные и радиолокационные системы оптоэлектронная обработка поверхностно-излучающий лазер
Авторы:
M.Е. Белкин - д.т.н., профессор, Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики. E-mail: belkin@mirea.ru A.С. Сигов - академик РАН, президент МГТУ МИРЭА, Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики. E-mail: assigov@yandex.ru D. Ellafi - доктор, Тунисский национальный инженерный университет, Республика Тунис V. Iakovlev - доктор, Лозаннский федеральный политехнический университет, Швейцария E. Kapon - доктор, профессор, Лозаннский федеральный политехнический университет, Швейцария
Аннотация:
Рассмотрены принципы построения на базе «длинноволнового» поверхностно излучающего лазера с вертикальным микрорезонатором (LW-VCSEL) разработки Лозаннского политехнического университета двух новых радиофотонных устройств: генератора и преобразователя частоты. Приведены результаты разработки, показавшие эффективность применения данного лазера в устройствах радиофотоники и ограниченность их рабочего диапазона вследствие ограниченности его полосы прямой модуляции. С целью анализа путей расширения последней изучены физические и технологические принципы изготовления LW-VCSEL сплавной структуры и ее статические и динамические и динамические характеристики. Путем физического моделирования в программной среде Cross Light определено влияние наноразмерного травления толщины слоев верхнего зеркала на потери и время жизни фотона в резонаторе. Показано, что их оптимизация с «атомным» разрешением приводит к почти двукратному (6-11 ГГц) расширению полосы модуляции данного лазера. С целью верификации результатов моделирования была изготовлена опытная партия LW-VCSEL оптимизированной структуры, на базе которой проведен эксперимент по передаче на расстояние 10 км цифрового сигнала со скоростью 10 Гбит/с с качеством, удовлетворяющим требованиям к современной локальной телекоммуникационной системе.
Страницы: 33-46
Список источников

  1. Seeds A. J., Williams K. J. Microwave Photonics // IEEE Journal of Lightwave Technology, 2006. V. 24, No 12. P. 4628-4641.
  2. Kapon E., Sirbu A. Long-wavelength VCSELs: Power-efficient answer // Nature Photonics, 2009. V. 3. Р. 27-29.
  3. Sirbu A., Caliman A., Mereuta A., Iakovlev V., Suruceanu G., Kapon E. Recent progress in wafer-fused VCSELs emitting in the 1550-nm band // ICTON 2011, Mo.C5.1.
  4. http://www.lightwaveonline.com/articles/print/volume-28/issue-6/technology/long-wavelength-vcsel-technology-improves.html.
  5. Yao J. Microwave Photonics // IEEE Journal of Lightwave Technology,2009. V. 27. № 3. Р. 314.
  6. Capmany J., Novak D. Microwave photonics combines two worlds // Nature Photonics, 2007.V. 1.№  1.P. 319-330.
  7. Koyama A.F. Recent advances of VCSEL photonics //IEEE Journal of Lightwave Technology, 2006.V. 24.№  12.P. 4502-4513.
  8. Jalali B., Paniccia M., Reed G. Silicon Photonics // IEEE Microwave Magazine, 2006. V. 7. No 3. P. 58-68.
  9. Subrahmanyam P. B., Zhou Y., Chrostowski L., and Chang-Hasnain C. J. VCSEL tolerance to optical feedback // Electronics Letters, 2006. V. 41.No 21.
  10. Chrostowski L., Chang C-H., Chang-Hasnain C.J. Enhancement of dynamic range in 1.55-um VCSELs using injection locking // IEEE Photonics Technology Letters, 2003. V. 15.№  4. P. 498-500.
  11. Miller D.A.B. Device Requirements for Optical Interconnects to Silicon Chips // Proceedings of the IEEE, 2009. V. 97.№ 7.P. 1166-1185.
  12. Maleki L. Recent Progress in Opto-Electronic Oscillator // Microwave Photonics International Topical Meeting, 2005. P. 81-84.
  13. Belkin M. E., Loparev A., et al.A Tunable RF-Band Optoelectronic Oscillator and OE-CAD Model for its Simulation // Microwave and Optical Technology Letters, 2011. V. 53. № 11. P. 2474-2477.
  14. Belkin M.E., Loparev A.V. A Microwave Optoelectronic Oscillator: Mach-Zehnder Modulator or VCSEL Based Layout Comparison // PIERS Proceeding. Moscow. 2012. P. 1138-1142.
  15. http://www.vpiphotonics.com/TMOpticalSystems.php.
  16. Cabon B. Microwave Photonics Mixing // Transactions D: Computer Science & Engineering and Electrical Eng., 2010. V. 17. № 2. P.149-162.
  17. Constant S. B., Le Guennec Y., Maury G., Corrao N., Cabon B. Low-cost all-optical up-conversion of digital radio signals using directly modulated 1550-nm emitting VCSEL. // IEEE Photonics Technology Letters, 2008. V. 20. № 2. P. 120-122.
  18. Belkin M.E., Belkin L.M., et al.Microwave-Band Optoelectronic Frequency Converters Based on Long Wavelength VCSELs // IEEE COMCAS, Tel Aviv. 7-9 Nov. 2011. P. 1-6.
  19. Belkin. L. Microelectronic and optoelectronic design principles of microwave semiconductor frequency converters // PhD dissertation. 2012.  MIREA. Moscow, RF (in Russian)\
  20. Hemery E., Chusseau L., Lourtioz J.-M. Dynamic Behaviours of Semiconductor Lasers under Strong Sinusoidal Current Modulation: Modeling and Experiments at 1.3 µm // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1990.V. 26.№ 4. P. 633-641.
  21. Ortsiefer M., et al. Low-resistance InGa(Al)As tunnel junctions for long wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers //Japanese Journal of Applied Physics, 2000. V. 39. P. 1727-1729.
  22. Menon P.S., Kumarajah K., Bais B., et al. Peak power and wavelength optimization of a double-fused LW-VCSEL // IEEE International Conference on Semiconductor Electronics (ICSE). 2010. P. 365-369.
  23. Coldren L.A., Corzine S.W. Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. Wiley, New York. 1995.
  24. Bimberg D. Quantum dot based nanophotonics and nanoelectronics // Electronics Letters, 2008. V. 44. № 33.
  25. Krestnikov, Ledentsov N.N., Hoffmann A., Bimberg D. Arrays of two-dimensional islands formed by submonolayer insertions: growth, properties, devices // Physica Status Solidi (a), 2008. V. 183. № 2. P. 207-233.
  26. Willatzen M., Takahashi T., Arakawa Y. Nonlinear gain effects due to carrier heating and spectral hole burning in strained-quantum-well lasers // IEEE Photonics Technology Letters, 1992.V. 4. № 7. P. 682.
  27. O-Reilly E.P., Adams A.R. Band-structure engineering in strained semiconductor lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1994. V. 30. № 2. P. 366-379.
  28. Weisser S., Larkins E.C., Czotscher K., et al. Damping limited modulation bandwidths up to 40 GHz in undoped short cavity In(0.35)Ga(0.65)As-GaAs multiple quantum well lasers // IEEE Photonics Technology Letters, 1996. V. 8. № 5. P. 608-610.
  29. Zhao B., Chen T.R., Yariv A. The extra differential gain enhancement inmultiple-quantum-well lasers // IEEE Photonics Technology Letters, 1992. V. 4. № 2. P. 124.
  30. Aggerstam T., Von Würtemberg R.M., Runnström C., Choumas E. Large aperture 850 nm oxide confined VCSELs for 10 Gb/s data communication // in Proc. SPIE. 2002. V. 4649. P. 19-24.
  31. Westbergh P., Gustavsson J. S., Haglund Å., et al. High speed, low current density 850 nm VCSELs // IEEE Journal of Selected Topics on Quantum Electronics, 2009. V. 15. № 3. P. 694-703.
  32. Chang Y.-C., Wang C. S., ColdrenL. A. High-efficiency, high-speed VCSELs with 35 Gbit/s error-free operation // Electronics Letters, 2007. V. 43.№  19. P.1022-1023.
  33. Westbergh P., Gustavsson J. S., Haglund Å., at el. 32 Gbit/s multimode fiber transmission using high speed, low current density 850 nm VCSEL // Electronics Letters, 2009. V. 45.№  7, P. 366?368.
  34. Mircea A., Caliman A.,  Iakovlev V., et al. Cavity Mode-Gain Peak Tradeoff for 1320-nm Wafer-Fused VCSELs With 3-mW Single-Mode Emission Power and 10-Gb/s Modulation Speed Up to 70° C // IEEE Photonics Technology Letters, 2007. V. 19. P. 121-123.
  35. Hadley G.R. Effective index model for vertical-cavity surface-emitting lasers // Optics Letters, 1995. V. 20. P. 1483-1485.
  36. De Salvo G.C., Bozada C.A., Ebel J., et al. Wet Chemical Digital Etching of GaAs at Room Temperature // Journal of Electrochemical Society. 1996. V. 143. № 11.
  37. Corzine S.W., Geels R.S., Scott J.W., et al. Design of Fabry-Perot Surface-Emitting Lasers with a Periodic Gain Structure // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1989. V. 25. № 6.
  38. Wolfe C.-M., Holonyak N., Stillman G.E.Physical Properties of Semiconductors - Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1989.