Wielozłączowe diody laserowe z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym -synergia wysokiej mocy optycznej i jednomodowego trybu pracy

Celem tego projektu jest zademonstrowanie całkowicie nowego typu urządzenia optoelektronicznego – wielozłączowej diody laserowej ze sprzężeniem zwrotnym z rozproszonym rezonatorem (DFB LD). Spodziewamy się, że to urządzenie zaoferuje niespotykanie wysoką moc optyczną i działanie w trybie jednomodowym; a wszystko to w zwartej i solidnej strukturze półprzewodnikowej. Urządzenie będzie oparte na azotku galu (GaN) i będzie działać w widmie widzialnym. Zapewnia to wiele możliwych zastosowań, takich jak: telekomunikacja „ostatniej mili” oparta na włóknach plastikowych, Li-Fi, systemy wykrywania i pomiaru odległości światłem (LIDAR), komunikacja podwodna, zegary atomowe oparte na strontcie, wykrywanie gazów i monitorowanie środowiska. Wielozłączowa dioda laserowa (LD) składa się z kilku złączy p-n połączonych ze złączami tunelowymi (TJs). Zaletą tego urządzenia, w porównaniu do urządzeń z pojedynczym złączem p-n, jest to, że dla tego samego przepływu prądu, rekombinacja zachodzi w każdym z obszarów aktywnych. W zasadzie można oczekiwać N-krotnego wzrostu mocy wyjściowej wielozłączowej LD z N sekcjami. Skutkuje to efektywnością różniczkową (fotony na wstrzyknięte elektrony) wyższą niż 100%, co wiąże się z kosztem dodatkowego napięcia wymaganego dla każdej sekcji. Wielozłączowe LD zostały już zademonstrowane dla konwencjonalnych systemów półprzewodnikowych, takich jak GaAs i InP. Urządzenia działające w zakresie długości fal od 800 do 2000 nm są dostępne komercyjnie i znajdują zastosowanie w systemach LIDAR oraz w pomiarach odległości. W ramach tego projektu planujemy wymusić działanie wielozłączowych LD w trybie jednomodowym poprzez sprzężenie ich modu optycznego z powierzchniową siatką dyfrakcyjną na całej długości rezonatora, tak jak ma to miejsce w diodach DFB LD. Urządzenie będzie działać w trybie poprzecznym wysokiego rzędu, z maksimami modu w obszarach aktywnych i minimami w złączach tunelowych. Konstrukcja wielosekcyjna umożliwi uzyskanie wysokiej mocy optycznej, podczas gdy silne sprzężenie modu z siatką powierzchniową zapewni działanie jednomodowe proponowanego urządzenia. Proponowany projekt będzie realizowany we współpracy między Instytutem Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk (IWC PAN), CEZAMAT Politechniki Warszawskiej oraz grupą prof. Ulricha Theodora Schwarza z Technische Universität Chemnitz (TU Chemnitz). W IWC PAN technologia diod laserowych opartych na GaN jest rozwijana od ponad 20 lat. Wielozłączowe LD działające w widmie widzialnym były nieuchwytne aż do niedawna. W naszym laboratorium w IWC PAN zademonstrowaliśmy ostatnio wielozłączowe LD oparte na GaN, składające się z dwóch i trzech sekcji, ale bez siatki dyfrakcyjnej. Laboratorium CEZAMAT oferuje najnowocześniejsze technologie litograficzne, w szczególności litografię wiązką elektronów, która zostanie wykorzystana do wykonania powierzchniowej siatki dyfrakcyjnej na strukturze mezy. Grupa prof. Schwarza specjalizuje się w badaniach spektroskopowych właściwości fizycznych urządzeń półprzewodnikowych. Koncentruje się na charakteryzacji i symulacji diod laserowych opartych na GaN. Na TU Chemnitz prof. Schwarz zbudował laboratorium z unikalnym sprzętem, który pozwoli na dokładne zbadanie przestrzennych, spektralnych i czasowych charakterystyk wielozłączowych diod DFB LD. Spodziewamy się, że ścisła współpraca między trzema grupami umożliwi pierwszą na świecie demonstrację wielozłączowych diod DFB LD. Planujemy wykorzystać zaawansowane techniki symulacyjne do projektowania i badania właściwości wielozłączowych diod DFB LD. W szczególności, zbadamy siłę sprzężenia między modą optyczną a siatką umieszczoną na strukturze mezy, nagrzewanie termiczne urządzenia, rozkład mody optycznej i tworzenie wzmocnienia optycznego. Planujemy współpracować z dr Joachimem Piprekiem z NUSOD Institute, który jest wiodącym na świecie naukowcem w dziedzinie symulacji urządzeń optoelektronicznych. Ostatnio w IWC PAN opracowaliśmy model teoretyczny oparty na teorii Kane'a w celu badania właściwości tunelowania złączy tunelowych. Wykorzystamy ten model do badania wpływu grubości, domieszkowania i składu [brakuje ostatniego słowa w oryginalnym tekście]. Oczekujemy, że praca wykonana w ramach tego projektu oraz ścisła współpraca między trzema grupami pozwoli na pierwszą na świecie demonstrację wielozłączowych diod DFB LD.