Azotkowe lasery VCSEL jako źródła sygnału w systemach VLC
Nitride VCSEL as signal sources in VLC systems
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: azotkowe lasery VCSEL symulacje komputerowe właściwości modulacyjne laserów półprzewodnikowe lasery emitujące światło widzialne
Słowa kluczowe (angielski): nitride VCSELs computer simulations modulation properties of lasers semiconductors lasers emitting visible light
Członkowie konsorcjum: Projekt nie był realizowany w ramach konsorcjum
Okres realizacji projektu: 9.01.2019 - 8.01.2024
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: PRELUDIUM
Kierownik projektu: Patrycja Śpiewak
Wartość dofinansowania: 162 850,00 PLN
Wartość projektu: 162 850,00 PLN
Od samego początku lasery półprzewodnikowe były rozważane jako źródła sygnału w optycznych systemach przesyłu danych. Ideą tych systemów jest emisja modulowanego światła niosącego informację, które jest przysłane na mniejsze lub większe odległości i dociera do odbiornika propagując się w powietrzu (lub innym ośrodku, na przykład w światłowodzie). Lasery półprzewodnikowe są tutaj niemal idealnym źródłem sygnału, gdyż charakteryzują się dużą sprawnością i dużą szybkością modulacji oraz posiadają przy tym niewielkie rozmiary. Jeśli chodzi o przesył informacji na niewielkich odległościach, np. w centrach danych, ogromny sukces odniosły lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) emitujące fale z zakresu 800 – 1000 nm. Wykonuje się je z materiałów opartych na arsenku galu. Lasery VCSEL cechują się bardzo dobrymi parametrami emitowanej wiązki przy jednoczesnym zapewnieniu minimalnego poboru mocy oraz ich masowej produkcji i niskiej ceny. W ostatnich latach trwają intensywne badania nad laserami VCSEL wykonanymi z materiałów azotkowych, emitujących promieniowanie z zakresu od fioletowego do zielonego. Jak dotąd stworzono jedynie prototypy działających konstrukcji. Bardzo prawdopodobne, że w najbliższych latach lasery VCSEL tego typu znajdą komercyjne zastosowania w tym zastosowania w optycznym przesyle informacji. Dlatego też, już na tym etapie badań, ważna jest optymalizacja tych konstrukcji właśnie pod względem ich potencjalnych zastosowań w tych systemach. Powszechnie uważa się że jednym z tych zastosowań może być komunikacja z wykorzystaniem światła widzialnego VLC (Visible Light Communication) w zakresie 390 – 750 nm. Należy do niej, dynamicznie w tej chwili rozwijająca się, bezprzewodowa komunikacja Li-Fi (Light Fidelity), która w wielu zastosowaniach mogłaby zastąpić powszechnie wykorzystywane Wi-Fi (Wireless Fidelity). Komunikacja Li-Fi ma tą zaletę, że dzięki wykorzystaniu światła widzialnego nie powoduje zakłóceń elektromagnetycznych, w przeciwieństwie do Wi-Fi, w której wykorzystywane są mikrofale. Dlatego też Li-Fi byłaby idealnym rozwiązaniem w bezprzewodowych sieciach lokalnych, samochodach, samolotach, elektrowniach jądrowych czy szpitalach, oferując przy tym znacznie większe pojemności przesyłu danych. W testowych badaniach nad systemami VLC jako źródła światła wykorzystuje się jak na razie diody LED (Light-Emitting Diode). Jednakże szybkość modulacji emitowanego przez nie światła jest ograniczona do dużo mniejszych wartości w porównaniu z laserami VCSEL. Powstały również testowe systemy, w których wykorzystano półprzewodnikowe azotkowe lasery o emisji krawędziowej EEL (Edge Emitting Laser). Na podstawie doświadczeń z arsenkowych laserów VCSEL, azotkowe lasery VCSEL z kilku powodów mogłyby być lepsze w porównaniu do laserów EEL. Poprzez powierzchniową emisję promieniowania możliwe jest np. łatwe tworzenie z nich dwuwymiarowych matryc. Ponadto lasery te charakteryzują się mniejszymi rozmiarami od laserów EEL oraz wymagają zasilania mniejszymi prądami. Kolejnym ich atutem jest to, że emitują one wiązkę o dużo lepszych parametrach optycznych. Lasery VCSEL wykonywane w technologii arsenkowej, emitujące wiązki w zakresie podczerwieni są obecnie najlepszymi emiterami światła modulowanego do zastosowań na małych odległościach. Istnieje zatem duże prawdopodobieństwo, że w ciągu najbliższych lat azotkowe lasery VCSEL emitujące światło widzialne będą również powszechnie używane do podobnych zastosowań. Wspomniane systemy optycznego przesyłu danych działają w taki sposób, że urządzenia emitują światło z bardzo dużą częstotliwością modulacji. Sygnał w postaci zer i jedynek odbierany jest przez odpowiedni detektor. Jednakże szybkość modulacji sygnału świetlnego emitowanego przez laser poddana jest pewnym ograniczeniom elektrycznym i optycznym, w efekcie szybkość przesyłu danych jest ograniczona. W ramach projektu planowane jest zbadanie zarówno obecnie istniejących konstrukcji azotkowych laserów VCSEL jak i konstrukcji zaprojektowanych w ramach grantu. Analiza będzie dotyczyć elektrycznych zjawisk pojemnościowych mających niekorzystny wpływ na właściwości modulacyjne tych struktur. Badania zostaną przeprowadzone na gruncie analizy numerycznej, której bazą będą modele i oprogramowanie powstałe w Zespole Fotoniki Politechniki Łódzkiej. Celem projektu jest poznanie, które zjawiska fizyczne decydują o szybkości modulacji w azotkowych laserach VCSEL oraz optymalizacja rozwiązań konstrukcyjnych i parametrów materiałowych tych przyrządów w taki sposób, aby niekorzystne efekty pojemnościowe w nich występujące były jak najmniejsze, a lasery pracowały najefektywniej.
From the very beginning, semiconductor lasers were considered as signal sources in optical data transmission systems. The idea of these systems is to emit modulated light carrying information, which is sent to smaller or larger distances by propagating in the air (or other medium, for optical fiber) reaches the receiver. Semiconductor lasers are in this case an ideal source of signal, because they are characterized by high efficiency and high speed of modulation and they have a small size. In the case of short-range data transfer, eg in data centers, VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) emitting waves in the 800–1000 nm range are very successful. They are made of materials based on gallium arsenide. VCSEL are characterized by very good parameters of the emitted beam, minimal power consumption and low price in the mass-production. In recent years, intensive research on VCSEL made of nitride materials has been underway, which emit visible radiation from violet to green. So far, only prototypes of such devices have been created. It is very likely that in the coming years nitride VCSEL will find commercial application such as in optical data transmission. Therefore, already at this stage of research, it is important to optimize these structures in terms of their potential applications. One of these applications may be Visible Light Communication (VLC) in the spectral range of 390–750 nm. It includes the dynamically developing wireless Light Fidelity (Li-Fi), which in many applications could replace the commonly used Wireless Fidelity (Wi-Fi). Li-Fi has the great advantage that thanks to the use of visible light does not cause electromagnetic interference, unlike Wi-Fi, in which microwaves are used. Therefore, Li-Fi would be an ideal solution in wireless local networks, cars, airplanes, nuclear power stations or hospitals. In these applications, it would give much larger capacity of the data transmission. In tested research on VLC systems LEDs (Light-Emitting Diode) are used as the light sources. However, the speed of modulation of the light emitted by them is limited to much smaller values compared to VCSELs. Test systems have also been developed, in which semiconductor Edge Emitting Laser (EEL) were used. Based on the experience of the arsenide VCSELs, nitride VCSEL could be better compared to EEL lasers for several reasons. The surface emitting beam in VCSEL makes it easy to create two-dimensional matrices from them. In addition, these lasers are characterized by smaller sizes than EELs and require lower supply currents. The basic advantage of VCSEL is that they emit a beam with much better optical parameters than EELs. Arsenide VCSELs, emitting infrared beams are now the best modulated light emitters for short-distance applications. It is therefore very likely that in the next few years, nitride VCSEL emitted visible light will also be widely used for similar applications. These optical data transmission systems operate in such way that the devices emit light with a very high modulation frequency. The signal in the form of zeros and ones is received by an appropriate detector. However, the modulation speed of the light emitted by the laser has electrical and optical limitations, and as a result the speed of data transmission is limited. In this project, it is planned to examine the existing designs of nitride VCSEL and design new constructions. The analysis will concern electric capacitance phenomena that have an unfavorable effect on the modulation properties of these structures. The research will be carried out on the basis of numerical analysis, using the models and software created in the Photonics Group at the Lodz University of Technology. The objective of the project is to learn which physical phenomena influence the modulation speed in the nitride VCSEL lasers. The next goal is to optimize the structural solutions and selection of material of the structures in such a way that the unfavorable capacitive effects occurring in them are as small as possible, and that the lasers worked the most effectively.
Powrót