Максимальный КПД одночастотных вертикально-излучающих лазеров, излучающих на длинах волн вблизи 1300 нм

Копытов П.Е., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Андрюшкин В.В., Гладышев А.Г., Папылев Д.С., Воропаев К.О., Блохин С.А., Ковач Я.Н., Тиэн Сиконг, Бимберг Дитер, Егоров А.Ю.

Ссылка для цитирования:

Копытов П.Е., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Андрюшкин В.В., Гладышев А.Г., Папылев Д.С., Воропаев К.О., Блохин С.А., Ковач Я.Н., Тиэн С.-С., Бимберг Д., Егоров А.Ю. Максимальный КПД одночастотных вертикально-излучающих лазеров, излучающих на длине волн вблизи 1300 нм // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 12. С. 12–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-12-12-20

Kopytov P.E., Babichev A.V., Karachinsky L.Ya., Novikov I.I., Andryushkin V.V., Gladyshev A.G., Papylev D.S., Voropaev K.O., Blokhin S.A., Kovach Ya.N., Tian S.-C., Bimberg D., Egorov A.Yu. Maximum wall-plug efficiency of 1300 nm single-frequency vertical-cavity surface emitting lasers [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 12. P. 12–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-12-12-20

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Одночастотные вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 1300 нм, изготовленные с использованием комбинированного метода спекания и молекулярно-пучковой эпитаксии. Цель работы. Определение диаметра мезы заращенного туннельного перехода одночастотных вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1300 нм, обеспечивающего максимальный КПД лазеров в температурном диапазоне от 20 до 100 °C. Метод. Гетероструктуры вертикально-излучающих лазеров были изготовлены методом спекания гетероструктур брэгговских отражателей и гетероструктуры активной области с заращенным туннельным переходом. Полупроводниковые гетероструктуры брэгговских отражателей GaAs/AlGaAs на подложках GaAs и гетероструктура активной области с заращенным туннельным переходом InGaAs/InAlAs/InP на подложке InP были изготовлены методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Основные результаты. Определено, что максимальный КПД для одночастотных вертикально-излучающих лазеров диапазона длин волн 1300 нм, изготовленных с использованием комбинированного метода спекания и молекулярно-пучковой эпитаксии, достигается для лазеров с диаметром мезы заращенного туннельного перехода 6 мкм, и меняется от 30% при температуре 20 °C до 7% при температуре 100 °C. Практическая значимость. При разработке матричных излучателей на основе одночастотных длинноволновых вертикально-излучающих лазеров необходимо использовать единичные излучатели с максимальным КПД для минимизации тепла, выделяемого таким матричным излучателем. Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что оптимальными для данной задачи являются вертикально-излучающие лазеры с диаметром заращенного туннельного перехода 6 мкм.

Ключевые слова:

вертикально-излучающий лазер, технология спекания пластин, молекулярно-пучковая эпитаксия, коэффициент полезного действия, энергоэффективность, заращенный туннельный переход

Благодарность:

работа авторов из Университета ИТМО по анализу статических характеристик лазеров поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание № FSER-2025-0025)

Коды OCIS: 140.5960, 250.5960, 140.7260, 250.7260, 160.6000, 060.4510

Список источников:

1. Khanam R., Hussain M., Hill R., Allen P. A comprehensive review of convolutional neural networks for defect detection in industrial applications // IEEE Access. 2024. V. 12. P. 94250–94295. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3425166
2. Cheng H., Zhang M., Shi J.Q. A survey on deep neural network pruning: Taxonomy, comparison, analysis, and recommendations // IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 2024. V. 46. № 12. P. 10558–10578. https://doi.org/10.1109/TPAMI.2024.3447085
3. Fu T., Zhang J., Sun R. et al. Optical neural networks: progress and challenges // Light Sci. Appl. 2024. V. 13. P. 263. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01590-3
4. Zhou T., Lin X., Wu J. et al. Large-scale neuromorphic optoelectronic computing with a reconfigurable diffractive processing unit // Nat. Photonics. 2021. V.15. P. 367–373. https://doi.org/10.1038/s41566-021-00796-w

5. Wang Z., Chang L., Wang F. et al. Integrated photonic metasystem for image classifications at telecommunication wavelength // Nat Commun. 2022. V. 13. P. 2131. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29856-7
6. Qian C., Lin X., Lin X. et al. Performing optical logic operations by a diffractive neural network // Light Sci Appl. 2020. V. 9. P. 59. https://doi.org/10.1038/s41377-020-0303-2
7. Chen Z., Sludds A., Davis R. et al. Deep learning with coherent VCSEL neural networks // Nat. Photon. 2023. V. 17. P. 723–730. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01233-w

8. Müller M., Wolf P., Gründl T. 1.3 μm short-cavity VCSELs for 30 Gb/s error-free optical links // ISLC 2012 International Semiconductor Laser Conference. San Diego, USA. October 07–10, 2012. P. 1–2. https://doi.org/10.1109/ISLC.2012.6348316
9. Caliman A., Mereuta A., Wolf P. et al. 25 Gbps direct modulation and 10 km data transmission with 1310 nm waveband wafer fused VCSELs // Opt. Express. 2016. V 24. P. 16329–16335. https://doi.org/10.1364/OE.24.016329
10. Müller M., Wolf P., Grasse C. et al. 1.3 µm short-cavity VCSELs enabling error-free transmission at 25 Gbit/s over 25 km fibre link // Electr. Lett. 2012. V. 48. № 23. P. 1487–1489. https://doi.org/10.1049/el.2012.3355
11. Spiga S., Soenen W., Andrejew A. et al. Single-mode high-speed 1.5-μm VCSELs // J. Lightwave Technol. 2017. V. 35. № 4. P. 727–733. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2597870
12. Caliman A., Mereuta A., Suruceanu G. et al. 8 mW fundamental mode output of wafer-fused VCSELs emitting in the 1550-nm band // Opt. Express. 2011. V. 19. № 18. P. 16996–17001. https://doi.org/10.1364/OE.19.016996
13. Блохин С.А., Бобров М.А., Блохин А.А. и др. Влияние латерального оптического ограничения на характеристики вертикально-излучающих лазеров cпектрального диапазона 1,55 мкм с заращенным туннельным переходом // Письма в журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 22. С. 3–8. http://doi.org/10.21883/PJTF.2021.22.51717.18942
Blokhin S.A., Bobrov M.A., Blokhin A.A. et al. Impact of transverse optical confinement on performance of 1.55 μm vertical-cavity surface-emitting lasers with a buried tunnel junction // Tech. Phys. Lett. 2022. V. 48. № 14. P. 46–50. http://doi.org/10.21883/PJTF.2021.22.51717.18942
14. Amann M.-C., Hofmann W. InP-based long-wavelength VCSELs and VCSEL arrays for high-speed optical communication // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2009. V. 15. № 3. P. 861–868. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2009.2013182
15. Блохин С.А., Ковач Я.Н., Бобров М.А. и др. Энергоэффективность вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм с активной областью на основе напряжённых квантовых ям InGaAs/InAlGaAs // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 35–45. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-35-45
Blokhin S.A., Kovach Ya.N., Bobrov M.A. et al. Energy efficiency of optical data transmission by 1.55 μm range vertical-cavity surface-emitting laser with the active region based on InGaAs/InAlGaAs quantum wells [in Russian] // Zhurnal of Optical Technology. 2024. V. 91. № 12. P. 796–802. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000796
16. Babichev A.V., Kovach Ya.N., Blokhin S.A. et al. Longwavelength VCSELs with buried tunnel junction: design optimization // J. Phys. Photonics. 2025. V. 7. № 3. P. 032001. https://doi.org/10.1088/2515-7647/ade5de
17. Blokhin S.A., Babichev A.V., Gladyshev A.G. et al. High power single mode 1300-nm superlattice based VCSEL: Impact of the buried tunnel junction diameter on performance // Journal of Quantum Electronics. 2022. V. 58. № 2. P. 2400115. https://doi.org/10.1109/JQE.2022.3141418
18. Ortsiefer M., Shau R., Böhm G. et al. Low-threshold index-guided 1.5 μm long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76. № 16. P. 2179–2181. https://doi.org/10.1063/1.126290
19. Hegblom E.R., Babic D.I., Thibeault B.J. et al. Scattering losses from dielectric apertures in vertical-cavity lasers // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 1997. Т. 3. № 2. P. 379–389. https://doi.org/10.1109/2944.605682
20. Блохин С.А., Бобров, Блохин А.А. и др. Эффект насыщающегося поглотителя в длинноволновых вертикально-излучающих лазерах, реализованных по технологии спекания // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. № 24. С. 49–54. http://doi.org/10.21883/PJTF.2020.24.50430.18522
Blokhin S.A., Bobrov M.A., Blokhin A.A. et al. The effect of a saturable absorber in long-wavelength verticalcavity surface-emitting lasers fabricated by wafer fusion technology // Tech. Phys. Lett. 2020. V. 46. № 12. P. 1257–1262. http://doi.org/10.1134/S1063785020120172
21. Lysak V.V., Chang K.S., Lee Y.T. Current crowding in graded contact layers of intracavity-contacted oxideconfined vertical-cavity surface-emitting lasers // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. № 23. P. 231118. https://doi.org/10.1063/1.2140886