Разработка полупроводникового гетеролазера для использования в ВОЛС III поколения

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Автономное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) Факультет электроники Кафедра микрои наноэлектроники Курсовая работа Дисциплина Полупроводниковые оптоэлектронные приборы Разработка полупроводникового гетеролазера для использования в ВОЛС III поколения Выполнил Степанов Е.М.

студент гр. № 0282

Проверил: Тарасов С.А.

Санкт-Петербург — 2015 г.

• Введение
• 1. Волоконно-оптические линии связи III поколения
• 2. Расчетная часть
• 2.1 Выбор структуры и расчет ее параметров
• 2.2 Расчет РОС резонатора
• 2.3 Расчет внутреннего квантового выхода
• 2.4 Расчет оптического ограничения
• 2.5 Расчет порогового тока
• 2.6 Расчет ватт-амперных характеристик
• 2.7 Расчет параметров резонатора
• 2.8 Выбор остальных слоев
• 3. Структура кристалла
• Заключение
• Список использованных источников
• ВВЕДЕНИЕ
• В качестве источников излучения для волоконно-оптических линий связи целесообразно использовать лазерные диоды на основе твердых растворов полупроводников. В настоящей работе представлен вариант расчета полупроводниковой лазерной структуры на основе соединений третей и пятой групп для волоконно-оптических линий связи III поколения.
• 1. Волоконно-оптические линии связи III поколения
• Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) это система, позволяющая передавать информацию. Носителем информации в такой системе выступает фотон. Он движется со скоростью света, что является предпосылкой к увеличению скорости передачи информации. Базовыми компонентами такой системы являются передатчик, оптическое волокно, приемник, ретранслятор (Р), усилитель (У) (рис. 1).
• Рисунок 1 — Структурная схема волоконно-оптической линии связи
• Также необходимыми элементами являются кодирующее устройство (КУ) и декодирующее устройство (ДКУ). Передатчик, в общем случае, состоит из источника излучения (ИИ) и модулятора (М). По сравнению с другими способами передачи информации оптоволокно выгодно отличается в первую очередь низкими потерями, что позволяет передавать информацию на большие расстояния. Вторым по значимости параметром является большая пропускная способность. То есть при прочих равных по одному оптоволоконному кабелю можно передать столько же информации, чем например по десяти электрическим. Еще одним важным моментом является возможность объединения нескольких оптоволоконных линий в один кабель и на помехозащищенности это сказываться не будет, что для электрических линий проблематично.
• Передатчики предназначены для того, чтобы исходный сигнал, как правило, заданный в электрическом виде, преобразовать в электромагнитную волну оптического диапазона. В качестве передатчиков могут использоваться диоды, лазерные диоды и лазеры. К первому поколению передатчиков относится светоизлучающий диод, который работает на длине волны 0,85 мкм. Второе поколение передатчиков работает на длине волны 1,3 мкм. Третье поколение передатчиков было реализовано на лазерных диодах с длинной волны 1,55 мкм в 1982 году. Использование лазеров в качестве передатчиков дает некоторые преимущества. В частности из-за того, что эмиссия является стимулированной, повышается выходная мощность. Также излучение лазера направленно, что повышает эффективность взаимодействия в оптических волокнах. А узкая ширина спектральной линии уменьшает цветовую дисперсию и увеличивает скорость передачи. Если создать лазер стабильно работающий в режиме одной продольной моды в течении каждого импульса, то можно повысить значение информационной пропускной способности. Для достижения этого можно использовать лазерные структуры с распределенной обратной связью.
• Следующим элементов ВОЛС является оптоволокно. Прохождение света по оптоволокну обеспечивается эффектом полного внутреннего отражения. И соответственно оно состоит из центральной части — сердцевины и оболочке выполненной из материала с меньшей оптической плотностью. По количеству типов волн, которые могут распространяться по оптоволокну, их делят на многомодовые и одномодовые. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропусканию. Но их недостатки связанны с тем, что диаметр одномодовых линий составляет величины порядка единиц микрометров. Это затрудняет введение излучения и сращивание. Диаметр многомодовой жилки составляет десятки микрометров, но полоса пропускания у них несколько меньше и для распространения на большие расстояния они не подходят.
• По мере распространения света по оптоволокну он затухает. Такие устройства как ретрансляторы (рис. 2 а) преобразуют оптический сигнал в электрический и при помощи передатчика отправляют его по линии дальше с уже большей интенсивностью.
• Рисунок 2 — Схематическое изображение устройств а) ретранслятора и б) усилителя.
• Усилители делают тоже с той разницей, что они усиливают непосредственно сам оптический сигнал. В отличие от повторителей не корректируют сигнал, а только усиливают и сигнал и шум. После того как свет прошел по оптоволокну он преобразуется обратно в электрический сигнал. Это осуществляет приемник. Обычно это фотодиод на основе полупроводника.
• К положительным сторонам ВОЛС относится малое затухание сигнала, широкая полоса пропускания, высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение. В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям. Среди недостатков нужно отметить хрупкость оптического волокна, сложность монтажа. В некоторых случаях требуется микронная точность. Оптическое волокно имеет спектр поглощения, представленный на рисунке 3.
• Рисунок 3 — Спектр поглощения оптоволокна
• В ВОЛС III поколения реализована передача информации на длине волны 1.55 мкм. Как видно из спектра поглощение на этой длине волны самое маленькое оно составляет величину порядка 0.2 децибелов/км.
• полупроводниковый лазерный волоконный оптический
• 2. Расчетная часть
• 2.1 Выбор структуры и расчет ее параметров
• Выбор твердого раствора. В качестве твердого раствора выбрано четверное соединение Ga_x In _1-x P _y As _1-y. Ширина запрещенной зоны рассчитывается следующим образом:
• (2.1)
• Изопериодной подложкой для этого твердого раствора является подложка InP. Для твердого раствора типа A_x B_1-x C_y D_1-y исходными компонентами будут бинарные соединения: 1 — AC; 2 — BC; 3 — AD; 4 — BD. Расчет энергетических зазоров осуществляется по приведенной ниже формуле.
• E (x, y) = E₄ + (E₃-E₄)x + (E₂-E₄)y + (E₁+E₄-E₂-E₃)xy —
• — [c₂₄+(c₁₃-c₂₄)x]y (1-y) — [c₃₄+(c₁₂-c₃₄)y]x (1-x), (2.2)
• где E_n — энергетический зазор в заданной точке зоны Бриллюэна бинарного соединения; c_mn — коэффициенты нелинейности для трехкомпонентного твердого раствора, образованного бинарными соединениями m и n.
• В таблице 1 и 2 приведены значения энергетических зазоров для бинарных соединений, четверных и необходимые коэффициенты для учета температуры. Температура в данном случае была выбрана T = 80 °C = 353 K.
• Таблица 1
• Энергетические зазоры бинарных соединений

	0 K	б	в	E с учетом Т
	EГ	EX	EL	EГ	EX	EL	EГ	EX	EL	EГ	EX	EL
GaP	2,78	2,35	2,72	— 0,65	— 0,577	— 0,577				2,6803	2,2507	2,6207
InP	1,4236	2,384	2,014	— 0,363	— 0,37	— 0,363				1,3357	2,2533	1,9261
GaAs	1,519	1,981	1,815	— 0,541	— 0,46	— 0,605				1,3979	1,878	1,6795
InAs	0,417	1,433	1,133	— 0,276	— 0,276	— 0,276				0,338	1,3558	1,0558

• Таблица 2
• Энергетические зазоры четверных соединений

		EГ	EX	EL
GaInPAs	АО	0,7999	1,379	1,3297
	ООО	0,9217
	ОЭ	1,0916

• Подбор необходимых значений состава проводился по соотношению x и y приведенному ниже. Полученные значения состава для всех областей: активной, волноводной и области эмиттера сведены в таблицу 5.
• Необходимым условием при расчете состава области оптического ограничения и области эмиттера было то, что разница в разрыве зон должна быть отлична не менее чем на 4kT.
• Период решетки четверного соединения рассчитывается по следующей формуле:
• a (x, y) = xya₁ + (1-x)ya₂ + x (1-y)a₃ + (1-x)(1-y)a₄, (2.4)
• где a₁ — a₄ — периоды решеток соответствующих бинарных соединений. Они представлены в таблице 3.
• Таблица 3
• Периоды решеток бинарных соединений

		a, A
	GaP	5,4509
	InP	5,8688
	GaAs	5,6532
	InAs	6,0584

• Для четверных соединений GaInPAs для всех областей значения периодов решеток сведены в таблицу 5.
• Расчет показателя преломления производился по соотношению приведенному ниже.
• (2.5)
• где необходимые параметры представлены в таблице 4.
• Таблица 4
• Параметры бинарных и четверных соединений для расчета показателя преломления

		E0	E1	E2	A	G1	G2
	GaP	2,7455	3,6655	5,2655	0,42	31,4388	160,537
	InP	1,3257	2,7807	5,0807	0,604	26,0399	128,707
	GaAs	1,4062	2,8712	4,9712	0,584	30,0432	151,197
	InAs	0,3453	2,4853	4,6853	1,166	14,6475	167,261
GaInPAs	АО	0,8096	2,574	4,7127	0,8682	21,8783	157,1932
	ООО	0,9302	2,6158	4,7649	0,8175	22,4393	151,9349
	ОЭ	1,0943	2,6796	4,8765	0,7344	23,7145	142,9967

• Показатель преломления для волноводной области выбирался таким образом, чтобы отличаться от показателя преломления области эмиттера как минимум на один процент.
• Таблица 5
• Основные параметры рабочих областей

АО	ООО	ОЭ
E	0,7999	E	0,9218	E	1,0917
x	0,371	x	0,2626	x	0,1403
y	0,1976	y	0,4276	y	0,6914
a (x, y)	5,8697	a (x, y)	5,8695	a (x, y)	5,8692
Дa, %	0,0145	Дa, %	0,0027	Дa, %	0,0046
n	3,6862	n	3,6393	n	3,5936
		Дn, %	1,2898	Дn, %	1,2721
4kT	0,1217		0,1218		0,1699

• 2.2 Расчет РОС резонатора
• Основой РОС резонатора является дифракционная решетка со следующим периодом.
• Получившееся таким образом значение периода решетки составляет 214 нм. Толщина слоя между активной областью и областью эмиттера выбрана порядка толщины длины волны, то есть 1550 нм.
• 2.3 Расчет внутреннего квантового выхода
• Значение квантового выхода определяется вероятностью излучательных и безызлучательных переходов.
• Значение внутреннего квантового выхода з_i = 0.9999.
• Излучательное время жизни будет определяться как
• (
• где R = 10^-10 см³/с — коэффициент рекомбинации, p_o = 10¹⁵ см^-3 — концентрация равновесных носителей заряда, Дn = 1.366*10²⁵ см^-3 и было рассчитано из
• где n_N = 10¹⁸ см^-3 — концентрация равновесных носителей заряда в эмиттере, ДE_c = 0.5 эВ — разница между шириной запрещенной зоны АО и ОЭ.
• Излучательное время жизни ф_и = 7.3203*10^-16 с. Безизлучательное время жизни ф_и = 1*10^-7 с. Безизлучательное время жизни будет определяться как
• где C = 10^-14 с*м^-3 — константа, N_л = 10²¹ м^-3 — концентрация ловушек.
• 2.4 Расчет оптического ограничения
• Приведенная толщина активного слоя D = 10.4817 :
• Коэффициент оптического ограничения Г = 0.9821:
• Для нашего случая необходим также расчет дополнительного коэффициента связанного с толщиной активной области г = 0.0394:
• где dп = 1268.8997 нм — размер пятна в ближней зоне, определяемый как
• 2.5 Расчет порогового тока
• Коэффициент отражения зеркал R = 0.3236:
• Пороговая плотность тока может быть рассчитана по следующей формуле:
• где в = 7*10^-7 нм^-1 — коэффициент распределенных потерь на рассеяние и поглощение энергии излучения.
• Пороговая плотность тока j_пор = 190.6014 А/см².
• Пороговый ток I = j_порWL = 38.1202 мА.
• 2.6 Расчет ватт-амперных характеристик и КПД
• Мощность до порога P_до = 30.5242 мВт.
• Мощность после порога P_псл = 244.3889 мВт.
• На рис. 4 представлен график зависимости выходной мощности от тока.
• Рисунок 4 — Зависимость выходной мощности от тока
• Расчет КПД з = 0.8014
• КПД =
• Дифференциальный КПД з_д = 0.7792
• 2.7 Расчет параметров резонатора
• Разность частот
• Дн_q = 2.0594*10¹¹ Гц
• Дн_q = н_q — н_q-1 =
• Число аксиальных мод N_акс = 71
• N_акс =
• Неаксиальные колебания
• Дн_m = 1.236*10¹² Гц.
• Дн_m =
• Добротность резонатора Q = 5758.0722
• Ширина резонансной линии Дн_p = 3.359*10¹⁰ Гц
• Дн_p =
• Расходимость лазерного луча = 0.0684
• где Дл — спектральная ширина линии излучения,
• m — порядок дифракции (в нашем случае первый),
• b — период решетки.
• 2.8 Выбор остальных слоев
• Для обеспечения хорошего омического контакта в структуре предусмотрен высоколегированный слой (N = 10¹⁹ см^-3) толщиной 5 мкм. Верхний контакт сделан прозрачным, поскольку вывод излучения осуществляется через него перпендикулярно подложке. Для улучшения структур, выращиваемых на подложке, предпочтительно использование буферного слоя. В нашем случае буферный слой выбран толщиной 5 мкм. Размеры самого кристалла выбраны следующие: толщина 100 мкм, ширина 100 мкм, длина 200 мкм. Подробное изображение структуры со всеми слоями представлено на рисунке 5. Параметры всех слоев такие энергетические зазоры, показатели преломления и уровни легирования представлены на 6,7,8 рисунках соответственно.
• Рис. 5. Структура кристалла
• Рисунок 6 — Энергетическая диаграмма структуры
• Рисунок 7 — Показатели преломления всех слоев структуры.
• Рисунок 8 — Уровни легирования слоев структуры
• Рисунок 9 — Выбранные составы твердых растворов
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Разработанный полупроводниковый лазер обладает характеристиками превосходящими изначально заданные. Так пороговый ток у разработанной структуры лазера составил 38.1202 мА, что ниже, чем заданные 40 мА. Выходная мощность также превзошла достаточную — 30.5242 мВТ против 5.
• Рассчитанный состав активной области на основе твердого раствора GaInPAs является изопериодным к подложке InP, расхождение периода решеток составило 0.0145то дает предпосылку к технологической реализуемости полученной структуры, а также способствует уменьшению дефектности структуры, не допуская появлению больших не скомпенсированных сил растяжения или сжатия на гетерогранице. Для обеспечения локализации электромагнитной волны в области оптического ограничения необходима разница в показателях преломления ООО и ОЭ не менее одного процента в нашем случае эта величина составила 1.2721%, что является удовлетворительным результатом, однако дальнейшее улучшение этого параметра невозможно из-за того, что невозможен дальнейший сдвиг по изопериоду. Также необходимым условием работы лазерной структуры является обеспечение локализации электронов в активной области, с тем чтобы было возможно их возбуждение с последующей стимулированной эмиссией, это будет выполняться при условии, что разрыв зон ООО и АО будет больше 4kT (выполнено — табл. 5).
• Коэффициент оптического ограничения полученной структуры составил 0.9821, это значение близко к единице, однако для его дальнейшего увеличения необходимо увеличивать толщину области оптического ограничения. Причем, увеличение толщины ООО в несколько раз дает незначительное увеличение коэффициента оптического ограничения, поэтому в качестве оптимальной толщины ООО выбрана величина близкая к длине волны излучения, то есть 1550 нм.
• Высокое значение внутреннего квантового выхода (99.9999%) обусловлено небольшим количеством безызлучательных переходов, которое в свою очередь является следствием низкой дефектности структуры. Дифференциальный КПД является обобщенной характеристикой эффективности структуры и учитывает такие процессы как рассеяние и поглощение энергии излучения. В нашем случае он составил 77.92%.
• Полученное значение добротности составило 5758.0722, что свидетельствует о невысоком уровне потерь в резонаторе. Поскольку естественный резонатор образованный сколами по кристаллографическим плоскостям кристалла имеет коэффициент отражения зеркал 32.36%, он будет обладать огромными потерями. В качестве основы резонатора можно использовать распределенную обратную связь в основе которой лежит эффект брэгговского отражения световых волн на периодической решетки, созданной на границе ООО. Рассчитанный период решетки составил 214.305 нм, что при ширине кристалла 100 мкм позволяет создать порядка 470 периодов. Чем больше будет число периодов, тем эффективней будет происходить отражение. Еще одним преимуществом РОС резонатора является то, что он обладает высокой селективностью по длине волны. Это позволяет выводить излучение определенной частоты, позволяя преодолеть один из основным недостатков полупроводниковых лазеров — зависимость длины волны излучения от температуры. Также использование РОС обеспечивает возможность вывода излучения под заданным углом. Возможно это стало предпосылкой очень маленького угла расходимости он составил 0.0684 °. Излучение в данном случае выводится перпендикулярно подложке, что является самым оптимальным вариантом, поскольку также способствует наименьшему углу расходимости.
• СПИСОК ИСХОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ
• 1. Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. Для вузов [Текст] / А. Н. Пихтин. — М.: Высш. шк., 2001. — 573 с.
• 2. Тарасов С. А., Пихти А. Н. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Учебное пособие. СПб. :Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2008. 96 с.
• 3. Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук [Электронный ресурс]