Исследование гетероструктур и разработка технологии изготовления лазерных излучателей для волоконно-оптических систем

Актуальность темы

.

В настоящее время одной из актуальных научно-технических задач стала разработка источников лазерного излучения с длиной волны 1550 нм. Наиболее перспективными для получения гетероструктур (ГС) таких лазерных излучателей являются соединения, А В [13, 37,47,49, 72].

В ряде задач практического применения помимо длины волны излучения необходимо обеспечение стыковки лазерных излучателей с оптическим волокном (ОВ). Поэтому важными параметрами излучения являются мощность излучения, диаграмма направленности, температурная стабильность характеристик, размер тела свечения.

Соответствие лазера этим требованиям определяется как составом используемой излучающей ГС, ее конструкцией, технологией выращивания, так и конструкцией самого излучателя, технологией его изготовления, отсутствием паразитных мод, близких по длине волны.

Параметры излучающих ГС обуславливаются их составом, методикой изготовления и толщиной слоев. Проблемы, возникающие при разработке и производстве новых типов ГС, исследовались Ж. И. Алферовым, П. Г. Елисеевым, X. Кейси, М. Панишем, Г. Кремером [2, 30, 42, 72, 95] и многими другими российскими и зарубежными учеными.

Повышение качества работы излучателей требует исследования и разработки приборов на новых системах элементов, позволяющих получить высокую мощность излучения и длину волны излучения 1550. 1560 нм в широком диапазоне температур.

Это связано со значительными трудностями: отсутствием комплексных методик разработки ГС с требуемыми параметрами и технологическим процессом (ТП) их изготовлениянеобходимостью совершенствования ТП производства лазерных излучателейнедостаточным количеством информации о влиянии внутренних дефектов ростовых напряжений и дислокаций на параметры разрабатываемых лазерных излучателей.

Одним из наиболее перспективных направлений эпитаксиального выращивания гетероструктур является МОС-гидридная эпитаксия. Однако, использование в данном случае неравновесного процесса эпитаксиального роста [8] для многокомпонентных ГС вызывает необходимость точного расчета их параметров и разработки индивидуальных технологических процессов выращивания, что связано с созданием специальных методик расчета и математических моделей процесса [30, 42].

Одним из путей значительного повышения мощности и улучшения характеристик излучения (спектра, расходимости, модового состава) является изменение конструкции мезоструктуры, геометрических размеров резонатора, параметров зеркальных покрытий.

Влияние на параметры лазерных излучателей оказывает также технология изготовления активных элементов (АЭ), основными этапами которой являются получение мезоструктуры, скалывание, напыление зеркальных покрытий.

Важным фактором, оказывающим влияние на параметры излучения лазерных излучателей, является взаимодействие с ОВ. Известно [37, 47, 49], что соединение с ОВ существенно снижает мощность излучения, а также меняет его спектральный и модовый состав.

Целью настоящей работы является исследование и создание нового типа многокомпонентных ГС, разработка на его основе конструкции и технологии изготовления лазерного излучателя повышенной мощности с длиной волны излучения 1550 нм, и исследование его характеристик при соединении с оптическим волокном.

Задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью решался следующий комплекс задач:

I. Разработка методики расчета четырехкомпонентной гетероструктуры.

2. Исследование и разработка технологии выращивания гетероструктур с длиной волны излучения 1550 нм методом МОС-гидридной эпитаксии.

3. Разработка конструкции и технологии изготовления лазерных излучателей повышенной мощности с длиной волны излучения 1550 нм.

4. Исследование параметров полученных лазерных излучателей и изменения их характеристик при соединении с оптическим волокном.

Методы исследования. Экспериментальные данные получены на универсальном и специально разработанном лабораторном оборудовании и обработаны с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработана универсальная методика расчета параметров четырехкомпонентных гетероструктур, содержащих компоненты с высокой степенью сегрегации.

2. Разработана модель расчета параметров парогазовой смеси в реакторе установки МОС-гидридной эпитаксии, с учетом неравновесности процесса. На основе данной модели предложена методика корректировки параметров подачи исходных компонент в реактор установки МОС-гидридной эпитаксии в зависимости от изменения температуры и концентрации парогазовой смеси, что обеспечило получение гетероструктур с требуемыми параметрами и высокую воспроизводимость технологического процесса.

3. Разработана модель распространения излучения для лазерных излучателей с одним и несколькими активными элементами, на базе которой была разработана конструкция лазерного излучателя с несколькими активными элементами.

4. Разработана модель развития напряжений и дислокаций в квантоворазмерных гетероструктурах, на основании которой предложена методика повышения мощности и долговечности лазерных излучателей путем выведения напряжений и дислокаций за границы активной области.

5. Впервые проведены исследования эффекта возникновения побочных мод излучения в лазерных излучателях, состыкованных с оптическим волокном.

Практическая значимость работы определяется прикладным характером проведенных исследований, направленных на разработку конструкции и технологии изготовления лазерных излучателей. Разработанные методики, программное обеспечение и технология внедрены в ФГУП «НИИ „Полюс“ им. М.Ф. Стельмаха». Их использование позволило значительно повысить качество выпускаемых лазерных излучателей. Характеристики полученных лазерных излучателей превосходят существующие в настоящее время аналоги.

Положения, выносимые на защиту;

1. Научно обоснованная методика расчета параметров твердых составов четырехкомпонентной системы.

2. Математическая модель эпитаксиального роста и разработанная на ее основе технология выращивания гетероструктур.

3. Математическая модель распространения излучения при наличии нескольких активных элементов, положенная в основу разработки конструкции и технологии изготовления лазерных излучателей повышенной мощности.

4. Математическая модель развития ростовых напряжений двухмерной гетероструктуры с квантоворазмерной активной областью, на базе которой разработана методика повышения мощности излучения и срока службы лазерных излучателей путем выведения напряжений и дислокаций за границы активной области.

5. Конструкция и технология изготовления лазерного излучателя с длиной волны излучения 1550 нм и мощностью 15 Вт.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• применением фундаментальных положений, справедливость которых доказана ранее и проверена практикой, неоднократно апробированных методик и математических моделей, а также сходимостью результатов экспериментальных исследований и математического моделирования;

• проведением исследований на моделях, которые достаточно полно и адекватно отражают совокупность факторов, влияющих на моделируемый процесс.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 5 Международном аэрокосмическом конгрессе, Москва, 2006 г.- 30, 31, 32 Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения», Москва, 2004, 2005, 2006 г. г.- Всероссийских научно-технических конференциях, Москва, 2004, 2006 г. г.- 11 European Workshop on MOVPE, г. Лозанна, 2005 г.- Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», Санкт-Петербург, 2004 г.- Московской молодёжной научно-технической конференции «Методы и средства измерительно-информационных технологий», Москва, 2004 г.

Публикации: Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях.

Структура и объем диссертации

: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 119 наименований. Материал изложен на 190 страницах иллюстрированных 75 рисунками, графиками и 20 таблицами.

ВЫХОД.

Меню ГРАНИЦА — Задание i раничных условий.

Задаются условия на левой и правой границах области. Возможны постановки краевых задач 1, II, III рода. Предусмотрена зависимость граничных условий от двух переменных: температуры и времени. Функциональная зависимость задается как в табличном, так и в аналитическом виде.

Условие 111 рода в настоящей версии не реализовано. Будет реализовано в следующей версии 1.1.

ЛЕВАЯ — Задание условий на левой |ракицс (тип гран, условия и значение) — ПРАВАЯ — на правой границе;

ЧТЕНИЕ — Чтение наборов данных с различными вариантами граничных условий. ЗАПИСЬ — Запись сформированных граничных условий на диск.

Файлы имеют расширение*.0.

Рис. 6. Меню «Граница» 191.

Формируются начальные условия в полной области.

Возможно задание в виде констант, таблиц. анаштичееко! о выражения.

В ЦЕНТРАХ Задание начальною распределения температуры в центрах В УЗЛАХ Задание начального распределения температуры в узлах;

ЧТЕНИЕ Чтение с диска наборов данных с вариантами начальных условий.

Файлы имеют расширение *.N- 3AI1ИСЬ Запись на диск текущею состояния начальных данных:

11НЧЛ ГЬ Печать начальных условий.

Рис. 6. Меню «Начальные условия».

Меню КО ЭФФИЦИЕНТЫ — Задание коэффициентов и правой части уравнения теплопроводности. теплоемкость ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ИСТОЧНИК ЧТЕНИЕ.

ЗАПИСЬ ПЕЧАТЬ.

Задание удельной теплоемкости: коэффициента теплопроводностиправой части: Чтение с диска наборов данных вариантами коэффициентов от температуры и времениФайлы имеют расширение *.К Запись данных на дискПечать коэффициентов. зависимостей.

Рис. 7. Меню «Коэффициенты».

Меню АЛГОРИТМ — Выбор разностной схемы. Производится выбор разностной схемы из классов:

ПОТОКОВЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ.

— НЕЯВНЫЕ.

— ЯВНЫЕ.

— С ВЕСАМИ.

• ПРЕДИКТОР-КОРРЕКТОР По умолчанию используется неявная потоковая схема.

Рис. 8. Меню «Алгоритм».

Меню СЧЕТ — Задание параметров расчета и запуск задачи на счет.

ВЫБОР ПЕРЕМЕННЫХ — решение задачи в терминах температуры/энтальпии АППРОКСИМАЦИЯ К — аппроксимация коэф. теплопроводности в центрах/узлах ячеек.

ГРАФИКИ В СЧЕТЕ — задание типов графиков величин выдаваемых в ходе счеш: температуры, потока, энташ аналитическим решением и невязками в нормах С и L2- коэффициентов — теплое теплопроводности, тешювого источника. ПАРАМЕТРЫ — Задание параметров расчета:

— расчетный шаг по времени;

— количество шагов расчета;

— время начата расчега;

— время расчета;

— шаг вывода результатов в ходе счета на экран: ЗАПУСК — Запуск сформированной задачи на счет.

Перед запуском проверяются входные данные на корректность. Координата X (i)>=0,X (i+l)>X (i),.

Коэффициенты Cv>0, К>0,.

Параметры расчета (величина расчетного шага по времсни. количество шагов, времена начата и продолжительности расиста, времена и шаги выдачи графиков на экран в ходе счета) В случае ошибки выдаются диагностические сообщения.

Рис. 9. Меню «Счет».

Меню РЕЗУЛЬТАТЫ — Прслсшменпс результаюн счета.

ТЕМПЕРАТУРА.

ПОТОК.

ЭНТАЛЬПИЯ.

ТЕПЛОЕМКОСТЬ.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ источник.

ИНТЕГ РАЛЬНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ (Суммарное тепловыделение, суммарные потоки через левую и правую ipaiimw).

Рис. 10. Меню «Результаты».

Рис. 11. Идеальный поток.

Рис. 12. Деформированный поток.