Метод проектирования функционально-интегрированных лазеров-модуляторов

Метод проектирования функционально-интегрированных лазеров-

модуляторов

Е.А. Рындин, М.А. Денисенко

Современные технологии производства интегральной электроники направлены, прежде всего, на увеличение производительности интегральных схем. В настоящее время прослеживается тенденция совмещения компонентов интегральной микроэлектроники и микросистемной техники [1 - 3]. Становится актуальным подход упрощения архитектуры вычислительного ядра с одновременным увеличением количества таких ядер [4], что позволяет уменьшить стоимость разработки и производства вычислительных систем в целом. Ведутся активные разработки систем для коммутации вычислительных ядер посредством оптических линий связи [5]. Одним из перспективных способов повышения быстродействия, снижения потребляемой мощности и энергии переключения интегральных элементов является комплексное использование кремния и альтернативных полупроводниковых материалов, в частности, материалов группы АШВУ Применительно к интегральным системам оптической коммутации технологии создания сверхбыстродействующей элементной базы сверхбольших интегральных схем (СБИС) на основе ОаАБ на кремниевых пластинах особенно важны и перспективны вследствие трудности создания источников лазерного излучения на основе кремния [6].

В работе [7] описаны структура и модель быстродействующего интегрального инжекционного лазера с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, в работах [8, 9] рассматриваются вопросы применения данного устройства в качестве источника стимулированного излучения для интегральных систем оптической коммутации, а также метод построения данных систем. Примечательно, что предложенный метод построения предполагает

изготовление всей системы в едином технологическом процессе с кремниевыми ядрами СБИС с использованием стандартных технологических операций арсенид-галлиевой технологии.

Определенный интерес представляет разработка метода проектирования элементной базы таких систем, что позволит существенно упростить прототипирование и разработку систем оптической коммутации и многоядерных СБИС в целом. Такой метод позволит автоматически варьировать параметры оптической системы на этапе проектирования в зависимости от предъявляемых требований.

В основе разработки метода проектирования элементов систем оптической коммутации лежит комплексный анализ уравнений и функций, описывающих электрические и оптические параметры лазерных гетероструктур, а также электрооптических модуляторов и резонаторов Фабри-Перро.

С учетом многопланового и многомерного характера решаемой задачи, а также границ применимости полученных моделей [7], разработан метод проектирования рассматриваемых наноструктур инжекционных лазеров с функционально интегрированными амплитудными модуляторами, который на верхнем уровне представления включает следующие основные этапы:

- этап 1. Ввод входных данных;

- этап 2. Присвоение первоначальных значений выходных данных с целью получения начального приближения для дальнейших расчетов;

- этап 3. Составление геометрической модели анализируемой наноструктуры инжекционного функционально-интегрированного лазера-модулятора;

- этап 4. Оценка предельного быстродействия лазера-модулятора (максимальной частоты амплитудной модуляции стимулированного излучения) с учетом квантовых эффектов посредством численного решения нестационарного уравнения Шредингера с соответствующими граничными и начальными условиями в одномерном приближении [7];

этап 5. Оценка коэффициента модуляции стимулированного

излучения, пороговой плотности тока накачки, потребляемой мощности, минимального напряжения питания и минимальной амплитуды

управляющих импульсов по результатам численного решения комбинированной нестационарной модели [10]: є0У(є-Ур) = е(п - р - Ы);

дп ( 1 Л

дП = -^(Мп(п + У) -^тVn))-(п - по) — + а-п

ОҐ

рк

КТ8 J

др ґ л Л

др = -УІм„

1

-----а-п

рк

\Т8 )

дпрк _ прк

----- ---------------- —I— I V / ----------------

+

р

— + а' прк

\Т8 J

прЬ — 0 при ЕРп ЕРр < Ес Еу, где п - концентрация электронов; р - концентрация дырок; при - плотность фотонов в лазерной моде; п0, р0 - равновесные концентрации электронов и дырок; N - эффективная концентрация примесей; р - электростатический потенциал; Уп, Ур - гетероструктурный потенциал в областях зоны проводимости и валентной зоны соответственно; е - диэлектрическая проницаемость полупроводника; е - электрическая постоянная; е -элементарный заряд; ц.п, цр - подвижности электронов и дырок; р -температурный потенциал; а - коэффициент оптического усиления; Р - доля спонтанного излучения, попадающего в лазерную моду; тз - время спонтанной излучательной рекомбинации; т/ - время жизни фотона в активной области лазера; Ерп, Ерр - квазиуровни Ферми для электронов и дырок; ЕС - уровень дна зоны проводимости; Еу - уровень потолка валентной зоны; ? - время.

В качестве начального приближения к решению комбинированной нестационарной модели использовались результаты численного решения

фундаментальной системы уравнений полупроводника в диффузионнодрейфовом приближении [10];

- этап 6. Проверка полученных на этапах 3 - 5 оценок значений выходных данных на предмет соответствия требованиям технического задания. Если полученные оценки соответствуют предъявляемым требованиям, выполняется переход к этапу 7, в противном случае выполняется анализ и корректировка параметров, после чего осуществляется возврат к этапу 1;

- этап 7. Анализ и сохранение результатов проектирования. Выработка рекомендаций по разработке конструкции функционально интегрированного лазера-модулятора.

Разработанный метод проектирования элементной базы быстродействующих интегральных систем оптической коммутации СБИС, в отличие от аналогичных, обеспечивает автоматизацию проектирования функционально-интегрированных источников-модуляторов оптического излучения, изготавливаемых в едином технологическом цикле. Разработанные на основе предложенного метода проектирования программные средства проектирования элементной базы быстродействующих интегральных систем оптической коммутации СБИС обеспечивают итерационную оптимизацию параметров конструкции инжекционного лазера-модулятора с использованием численного решения уравнений разработанных моделей для двух пространственных координат и могут быть использованы при создании систем автоматизированного проектирования (САПР) высокопроизводительных многоядерных СБИС.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 13-0700274), Министерства образования и науки Российской Федерации (проекты 7.5760.2011, 8.5757.2011), а также за счет средств Программы развития Южного федерального университета (2011 - 2021 гг.).

Литература

1. Pitcher, G. Taking the initiative. Altera embeds ARM processors to create distrinct class of device. [Text] / Graham Pitcher // New electronics, 2011. - № 11.

- P. 37 - 38.

2. Лысенко, И.Е. Интегральные сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа на основе углеродных нанотрубок [Электронный ресурс] / И.Е. Лысенко, А.В. Лысенко // Инженерный вестник Дона, 2012. - №4. -Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/ (доступ свободный) - Загл. с экрана.- Яз. рус.

3. Рындин, Е.А. Методика численного моделирования

спектрометрических газочувствительных сенсорных систем [Электронный ресурс] / Е.А. Рындин, А.С. Леньшин // Инженерный вестник Дона, 2012. -№4. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/ (доступ свободный) - Загл. с экрана.- Яз. рус.

4. Park, H. Photonic Integration on the Hybrid Silicon Evanescent Device Platform [Text] / H. Park, A. Fang, D. Liang, Y.H. Kuo, H.H. Chang, B.R. Koch, H.W. Chen, M.N. Sysak, R. Jones, J.E. Bowers // Advances in Optical Technologies, 2008. - Vol. 14. - P. 9203 - 9210.

5. Li, M.P. Transfering High-Speed Data over Long Distanses with Combined FPGA and Multichannel Optical Modules [Text] / M.P. Li, J. Martinez., D. Vaughan // Altera White Papers, 2012. - WP-01177-1.0, P. 1 - 6.

6. Chau, R. Low-dimensional Systems and Nanostructures [Text] / R. Chau // Physica E., 2003. - Vol. 19, № 1-2. - P. 1.

7. Коноплев, Б.Г. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда [Текст] / Б.Г. Коноплев, Е.А. Рындин, М.А. Денисенко // Вестник Южного научного центра РАН, 2010. - Т. 6, № 3. - С. 5 - 11.

8. Коноплев, Б.Г. Амплитудная модуляция лазерного излучения в интегральных системах оптической коммутации многоядерных УБИС

[Текст] / Б.Г. Коноплев, Е.А. Рындин, М.А. Денисенко // Известия ЮФУ. Технические науки, 2011. - №1 (114). - С. 92 - 97.

9. Коноплев, Б.Г. Метод построения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС [Текст] / Б.Г. Коноплев, Е.А. Рындин, М.А. Денисенко // Известия ЮФУ. Технические науки, 2011. - №4 (117). - С. 21 - 27.

10. Рындин, Е.А. Модель функционально-интегрированных

инжекционных лазеров-модуляторов для интегральных систем оптической коммутации [Текст] / Е.А. Рындин, М.А. Денисенко // Известия вузов. Электроника, 2012. - № 9. - С. 32-40.