Викселоника – новое направление оптоэлектронной обработки радиосигналов. Часть 1. компонентная база

Научная библиотека Комментариев к записи Викселоника – новое направление оптоэлектронной обработки радиосигналов. Часть 1. компонентная база нет

М.Белкин, В.Яковлев // Журнал: Электроника: наука, технология, бизнес, №3, 2015, с: 92-113

Термин «викселоника» образован от известной аббревиатуры VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser – поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором) и слова «фотоника». Устройства на базе VCSEL имеют ряд выигрышных особенностей, благодаря чему это направление интенсивно развивается за рубежом. На вопросы какая компонентная база на основе VCSEL доступна сегодня, каковы ее характеристики и возможности отвечает предлагаемый обзор

Для электрооптического преобразования в ТВОС повсеместно используются полупроводниковые лазерные излучатели (ПЛИ), единственным представителем которых с самого начала развития ТВОС являлся ПЛИ с торцевым излучением и горизонтальным резонатором [3]. Однако в начале 1990-х годов в Японии был изобретен ПЛИ другой конструкции [4], которую отличало поверхностное излучение из вертикального микрорезонатора. Впоследствии данный тип лазера получил сокращенное название VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser) – поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором. Благодаря ряду достоинств VCSEL, сегодня в мире известно так много разработок различных фотонных устройств на базе лазеров этой конструкции [5], что можно говорить о формировании отдельного направления фотоники – «викселоника». Проанализируем потенциал применения VCSEL в фотонике и, в особенности, в ее новом научно-техническом направлении «радиофотоника», которое считается весьма перспективным не только для гражданского, но и для военного применения [6]. Мы рассмотрим существующую компонентную базу викселоники и наиболее характерные примеры современных разработок радиофотонных устройств на базе VCSEL, предназначенных для совершенствования технико-экономических показателей радиоэлектронных и комбинированных систем телекоммуникационного и радиолокационного назначений.

Потенциал применения VCSEL в устройствах фотоники и радиофотоники

Во второй половине прошлого столетия на стыке фотоники и традиционной электроники возникло новое научно-техническое направление – оптоэлектроника, которое сегодня достигло стадии промышленной зрелости, но продолжает оставаться одним из наиболее актуальных. Это подтверждается ее непрерывным развитием с выделением самостоятельных междисциплинарных направлений, одним из которых является сверхвысокочастотная (СВЧ) оптоэлектроника (Microwave photonics), появившаяся в результате интеграции оптоэлектроники и СВЧ-радиоэлектроники [7]. В последние годы в российской научно-технической периодике термин «СВЧ-оптоэлектроника» заменен более общим эквивалентом «радиофотоника» [8].

Суть радиофотонного принципа построения [9] радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) такова (рис.1): входной сигнал СВЧ-диапазона посредством электрооптического преобразователя конвертируется в оптический диапазон. Модулированный оптический сигнал при помощи волоконно-оптических либо интегрально-оптических узлов и устройств обрабатывается либо просто передается в удаленную точку аппаратуры, где выполняется обратное оптико-электрическое преобразование в СВЧ-диапазон. По сравнению с ТВОС, в радиофотонной аппаратуре, помимо передачи в оптическом диапазоне, необходима непосредственная обработка оптического излучения, несущего радиосигнал. В традиционной РЭА аналогичная обработка выполняется с помощью функциональных элементов радиодиапазона. Перенос операции обработки в оптический диапазон упрощает общую схему РЭА и повышает ее ключевые технические показатели, такие как быстродействие, рабочая полоса частот, массогабаритные характеристики, динамический диапазон, электромагнитная совместимость, имитостойкость и др. [10]. В отличие от ТВОС, в радиофотонных устройствах, как правило, не требуется излучение лазера со значительной мощностью. А ведь именно меньшая мощность по сравнению с традиционным ПЛИ ограничивает применение VCSEL в телекоммуникационных системах волоконно-оптической связи, где они используются на относительно коротких распределительных линиях [11].

Напротив, в радиофотонных узлах обработки применение VCSEL дает преимущества, основанные на его достоинствах по сравнению с лазером с торцевым излучением [5, 12]:

  • миниатюрность (длина резонатора почти на два порядка меньше);
  • низкий пороговый ток генерации (0,5–2 мА против 10–15 мА);
  • малая мощность потребления (в 5–10 раз меньше);
  • лучшая эффективность ввода в волокно за счет пространственной симметричности и относительно малой расходимости выходного луча (10–12° против 30–40°);
  • существенно меньшая температурная зависимость порогового тока и энергетической характеристики;
  • простота обеспечения одночастотного режима;
  • относительно широкая полоса непрерывной перестройки длины волны (5–7 нм);
  • простота формирования двумерной лазерной решетки на одной подложке;
  • экономичность за счет возможности тестирования в процессе производства на пластине.

Полупроводниковые технологии с использованием лазеров с поверхностным излучением предлагают уникальные возможности создания не только компактных, но также весьма эффективных устройств. Развитие VCSEL с самого начала происходило на базе двух материальных систем [4]. Первая – это лазеры на основе AlGaAs/GaAs, работающие в первом окне прозрачности кварцевого световода в районе 0,85 мкм – так называемые коротковолновые VCSEL. Устройства на основе таких лазеров уже нашли широкое применение в экономичных ТВОС для локальных сетей передачи данных, компьютерных оптических интерфейсах типа «активный кабель» и компьютерных оптических «мышах» [12].

В лазерах второго типа, так называемых «длинноволновых» VCSEL, используются материалы на основе InP, благодаря чему они могут функционировать в более перспективных для телекоммуникационных систем втором (длина волны в районе 1,3 мкм) и третьем (в районе 1,55 мкм) окнах прозрачности (спектральные диапазоны О, S (второе окно) и С, L (третье окно) в обозначениях Международного союза электросвязи). Однако данный тип лазеров внедряется сравнительно медленно, в основном из-за технологических трудностей. Кроме того, важной проблемой является обеспечение надежной работы VCSEL при требуемых для РЭА повышенных температурах окружающей среды. Анализ различных лазерных гетероструктур показывает, что при разработке длинноволновых VCSEL во втором окне прозрачности преимущественно используются системы с активной областью на основе InAlGaAs, а в третьем – на основе InGaAsP [11].

Современные лазерные структуры в длинноволновом диапазоне строятся по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием двух конструкций: полностью эпитаксиальной, когда активная область и зеркала формируются посредством одних и тех же материалов, и сплавной с отдельно изготавливаемыми брэгговскими зеркалами на базе AlGaAs/GaAs и последующим сплавлением их при определенных температурах и давлении с гетероструктурой активной области [13]. Достоинством первого способа является сравнительная простота технологического процесса, важным недостатком – худший отвод тепла из активной области из-за относительно низкого коэффициента теплопроводности четверного твердого раствора, применяемого в этом случае для формирования многослойного отражателя. Этот недостаток устраняется в сплавной конструкции за счет того, что зеркала так же, как в коротковолновых VCSEL, формируются посредством чередующихся слоев AlGaAs/GaAs. Однако данный технологический прием увеличивает число операций и, следовательно, стоимость изготовления.

Тем не менее именно длинноволновый VCSEL сплавной конструкции считается ключевым компонентном аппаратуры современных и перспективных локальных телекоммуникационных сетей [14] и узлов радиофотонной обработки РЭА [15]. Современное состояние и потенциал применения VCSEL данной конструкции в радиофотонных узлах РЭА СВЧ-диапазона подробно исследованы в [15], поэтому кратко рассмотрим его в качестве образующего элемента компонентной базы викселоники.

Компонентная база викселоники

Длинноволновый VCSEL сплавной конструкции

Основными элементами современной поперечной структуры длинноволнового VCSEL сплавной конструкции [14] являются (рис.2): гетероструктура, содержащая легированные n-слои на основе InP и многоквантоворазмерную активную область на основе InP/InAlGaAs, и два брэгговских отражателя на основе GaAs/AlGaAs. Данные элементы в процессе изготовления сплавляются между собой по двум плоскостям. Для оптического и токового ограничения используется туннельный переход. В отличие от лазера с торцевым излучением, канал излучения лазера типа VCSEL расположен вертикально (рис.3). Для обеспечения лазерной генерации активная область так же, как и в традиционном лазере, находится между двумя зеркалами, которые в данном случае выполняются в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО). Однако длина резонатора VCSEL почти на два порядка меньше и примерно соответствует рабочей длине волны, поэтому для создания эффективной лазерной генерации требуется: максимально увеличить оптическое усиление в активной области; обеспечить высокий (близкий к 1) коэффициент отражения зеркал. Первое условие реализуется при помощи квантоворазмерной структуры активной области с использованием до 10 нанослоев толщиной несколько нанометров на основе квантовых ям либо квантовых точек. Для реализации второго условия применяется многослойная структура зеркал с числом слоев более 30. При этом общее число эпитаксиальных слоев в структуре превышает 100, что создает значительные трудности при ее физическом моделировании.

Опыт разработки радиофотонных устройств позволил выявить следующие дополнительные преимущества длинноволновых VCSEL: простая возможность существенного улучшения динамических характеристик за счет оптической инжекционной синхронизации [16]; совместимость с кремниевой интегрально-оптической технологией [17].

С целью конкретной оценки потенциала рассматриваемого VCSEL в качестве образующего элемента компонентной базы викселоники ниже описываются основные статические и динамические параметры длинноволнового VCSEL сплавной конструкции, разработанного в лаборатории физики наноструктур (LPN) Лозаннского политехнического университета (EPFL) – www.epfl.ch.

Электрические и энергетические характеристики [18, 19] (рис.4). Как видно из рисунка, получены следующие результаты при комнатной температуре: пороговый ток составляет 2 мА в О-диапазоне и менее 1 мА – в С-диапазоне; максимальная мощность излучения в непрерывном режиме равна 5–6 мВт; потребляемая мощность в квазилинейном режиме преобразования – 20 мВт в О-диапазоне и 8 мВт в С-диапазоне. Кроме того, при рабочем токе 9 мА достигнута мощность непрерывного излучения 1,5 мВт при температуре 100°C в О-диапазоне и 80°C в С-диапазоне. Полученные результаты постоянно улучшаются, и сегодня достигнуто рекордное значение мощности излучения в непрерывном одночастотном режиме для любого типа VCSEL: 8 мВт при комнатной температуре [20].

Малосигнальные частотно-модуляционные характеристики (ЧМХ) (рис.5) [21]. Как следует из рисунка, полоса прямой модуляции по уровню –3 дБ превышает 7 ГГц при токе смещения 10 мА. Совершенствование лазерной структуры уже привело к увеличению полосы модуляции до 11 ГГц [22].

Шумовые характеристики (рис.6) [23]. Рисунок показывает, что значения относительного шума интенсивности (Related Intensity Noise, RIN) уменьшаются при увеличении тока смещения и возрастают при увеличении частоты модуляции, что соответствует известным данным. Конкретно при комнатной температуре величина RIN на частоте модуляции 1,5 ГГц составляет всего лишь –160 дБ/Гц (минимальный порог измерительной установки) уже при токе смещения 5 мА.

Линейность в режиме большого сигнала. Как известно, наиболее наглядный способ оценки линейных свойств активного прибора, в данном случае полупроводникового лазера, состоит в определении его так называемой точки пересечения по входу (IIP) [24].

Поверхностно-излучающий лазер с внешним резонатором, получивший название VECSEL (Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser), представляет собой наиболее перспективный и развиваемый элемент компонентной базы викселоники, в котором удачно сочетаются функционирование в широком спектральном диапазоне полупроводниковых лазеров и уже отработанная техника внешней накачки и эффективного теплоотвода дисковых твердотельных лазеров. Его создание было предопределено дальнейшим развитием фотонных технологий, в ходе которого обнаружились ограничения VCSEL, связанные, главным образом, с недостаточно высокой выходной мощностью (см. рис.4) и недостаточно узкой линией излучения (см. рис.9). Принципиальные элементы VECSEL (рис.10) – усилительный полупроводниковый кристалл (УПК), представляющий собой VCSEL с удаленным верхним зеркалом (ср. с рис.2), и внешний пространственный оптический резонатор, образованный с одной стороны брэгговским отражателем УПК, а с другой – полупрозрачным сферическим зеркалом [29]. Такое выходное зеркало обеспечивает фокусировку внутрирезонаторного луча на поверхность УПК и формирование дифракционно-ограниченного симметричного выходного пучка, не уступающего по качеству газовым и твердотельным лазерам. Необходимо отметить, что для работы реального лазера данного типа могут потребоваться дополнительные, не показанные на рис.10 элементы, например, источник оптической накачки и устройство охлаждения усилительного кристалла, что приведет к усложнению его схемы.

Полное содержание статьи: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/4/article_4594_289.pdf

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top