Аннотация
В данном проекте будут проведены исследования быстрой полностью электрической модуляции оптических характеристик (эффективного показателя преломления, коэффициента поглощения) квантово-размерных полупроводниковых волноводных гетероструктур. Данные исследования направлены на разработку системы управления пространственными характеристиками лазерного излучения с помощью брэгговской решетки высокого порядка дифракции, интегрально сформированной на полупроводниковой гетероструктуре. Реализация данного исследования позволит обеспечить сверхбыструю (единицы наносекунд) развертку лазерного луча. Устройства обеспечивающие сверхбыстрое сканирования пространства лазерным лучом широко востребованы для практических применений: системы мониторинга пространства и машинного зрения, сканирующие лидарные системы, системы лазерных RGB проекторов, лазерные сканирующие микроскопы и профилометры, анализаторы поверхности и визуализация 3D объектов, системы передачи информации.
Впервые для углового управления распространения лазерного луча будут разрабатываться подходы, основанные на электрооптических эффектах (например, квантово-размерный эффект Штарка) в полупроводниковых гетероструктурах с интегрированной брэгговской решеткой высокого порядка дифракции для обеспечения вывода излучения. Реализация данных подходов обеспечит возможности безынерционной быстрой развертки лазерного луча. Для решения данной задачи необходимо достичь высокую амплитуду модуляции эффективного показателя преломления волноводной гетероструктуры (более чем 0.05) и минимальное увеличение коэффициента поглощения в рабочей спектральной области. Наиболее перспективным способом решения данной задачи является подход пространственного разделения распределения концентраций дырок и электронов в полупроводниковых квантово-размерных гетероструктурах. Данный подход позволит достичь высокой амплитуды модуляции длины волны лазерного излучения в среде при отсутствии существенного роста внутренних оптических потерь, связанных с межзонным поглощением, в необходимом спектральном диапазоне. Брэгговская решетка, сформированная с помощью технологий фотолитографии и реактивного ионного травления в слоях гетероструктуры, обеспечит связь модуляции оптических свойств среды с пространственными характеристиками лазерного излучения. Увеличении порядка дифракции позволит существенно увеличить угловую дисперсию. Для эффективного вывода излучения будут разрабатываться брэгговские решетки с углом блеска с целью увеличения светосилы дефлектора.
Для решения поставленных в проекте задач будет применяться комплексный подход, основанный на теоретических и экспериментальных исследованиях. Теоретические исследования будут посвящены квантово-механическим расчетам, направленным на определение оптимальных параметров дизайна гетероструктуры, обеспечивающих спектральное разделение модуляции мнимой и вещественной части диэлектрической проницаемости волноводной структуры, содержащей квантово-размерные слои. Будут проведены расчеты на основе двумерной теории связанных мод и прямых численных методов дифракционной эффективности брэгговской решетки. Данные расчеты позволят определить оптимальные параметры (геометрическая форма, глубина залегания) брэгговской решетки для увеличения её угловой дисперсии и светосилы. Опираясь на расчетные модели будут проведены экспериментальные исследования полупроводниковых гетероструктур с интегрированной брэгговской решеткой высокого порядка дифракции для обеспечения вывода излучения. Будут описаны процессы модулирования эффективного показателя преломления структуры как вблизи фундаментального края поглощения так в более длинноволновых областях. Впервые будут проведены экспериментальные исследования, в ходе которых будут определены амплитуда модуляции показателя преломления и коэффициента поглощения, светосила брэгговской решетки, угловая дисперсия, скорость угловой развертки лазерного луча, разрешающая способность, воспроизводимость состояний, величина управляющего напряжения.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта будет получен ряд новых результатов в области физики полупроводниковых наногетероструктур и разработана идея полностью электрического управления лазерным лучом с наносекундными временами перестройки. . Будут разработаны новые подходы для сверхбыстрой развертки лазерного излучения, основанные на модуляции показателя преломления полупроводниковой волноводной гетероструктуры на основе квантово-размерного эффекта Штарка. Связь модуляция оптических свойств гетероструктуры с пространственными характеристиками лазерного луча будет основана на монолитной интеграции сложных многослойных волноводных наногетероструктур с брэгговскими решетками высокого порядка дифракции. Высокое значение модуляции оптических параметров и оптимизированная форма брэгговской решетки будут обеспечивать высокое значение угловой дисперсии и светосилы дефлектора.
Одним из результатов исследования будет разработанная модель фундаментальной связи рефракции волноводной гетероструктуры и спектра поглощения квантово-размерных слоев, содержащихся в ней. Эти знания станут в будущем фундаментом для нового типа сверхбыстрых электрооптических дефлекторов (частота развертки более 100 МГц, напряжение управления менее 50 В, максимальный угол модуляции 10-20 мрад) востребованных в широком спектре практических применений: от лазерных сканеров и лидарных систем машинного зрения до оптической когерентной томографии. Существенное превосходство по скорости, эффективности, ценовой и технологической доступности таких устройств по сравнению с существующими аналогами позволит удовлетворить широкий спектр практических потребностей.
В рамках проекта будут получены новые экспериментальные результаты в области фундаментальных характеристик полупроводниковых наногетероструктур. Будут получены спектры поглощения квантово-размерных структур сложной формы. Будут исследованы статические и динамические характеристики спектров поглощения в условиях внешних электрических полей или высокой концентрации свободных носителей. Анализ данных результатов позволит сформулировать основные принципы электрорефракции в широком спектральном диапазоне и вне спектральной области прямого межзонного поглощения квантово-размерных структур. Связь сверхбыстрой электрорефракции с угловой разверткой лазерного луча будет обеспечена за счет интеграции брэгговской решетки высокого порядка. Будут проведены экспериментальные исследования спектров отражения и пропускания брэгговской решетки для волноводных мод в распространяющихся в гетероструктуре. Будут получены значения дифракционной эффективности для различных порядков дифракции. Исследования картины дальнего поля лазерного излучения с разрешением по времени позволит определить основные параметры электромодуляции.
Экспериментальные и теоретические результаты, демонстрирующие возможности разработанных подходов в области сверхбыстрого пространственного управления лазерным излучением, основанных на применении электрорефракции при проявлении квантово-размерного эффекта Штарка в многослойных гетероструктурах с интегрированной брэгговской решеткой высокого порядка, будут опубликованы в серии статей ведущих международных журналов, специализирующихся в области прикладной физики (IEEE Photonics Technology Letters; Semiconductor Science and Technology; Semiconductors; Technical Physics Letters; Quantum Electronics). Полученные решения планируется защищать патентами. Разработанные подходы также будут представлены на ведущих российских и зарубежных конференциях и выставках (CLEO Europe (Germany), Laser Optics (Russia)).
