Fizyczna symulacja działania oraz optymalizacja wybranych struktur

Wrocław, 27 maja 2005 r.
dr hab. inż. Włodzimierz Salejda, prof. nadzw. PWr, Instytut Fizyki
Recenzja rozprawy habilitacyjnej dra inż. Roberta P. Sarzały pt.
Lasery złączowe dla systemów światłowodowej telekomunikacji optycznej II generacji:
Fizyczna symulacja działania oraz optymalizacja wybranych struktur laserowych
1
Wprowadzenie
Wiedza i technologie to główne siły napędowe postępu cywilizacyjnego. W procesie tym bardzo znaczącą
rolę odgrywają odkrycia fizyków i wiedza fizyczna. Badania nad oddziaływaniem światła z materią, na
przełomie XIX i XX wieku, dały początek fizyce kwantowej. W 1900 r. Max Planck podaje wyrażenie na spektralną zdolność emisyjną ciała doskonale czarnego. W tym samym roku Ernst Rutherford
formułuje prawo rozpadu promieniotwórczego. W 1916 r. Albert Einstein opracowuje teorię oddziaływania promieniowania z materią wprowadzając pojęcie emisji wymuszonej. Teoria ta zostaje, w latach
50. ubiegłego wieku, rozwinięta przez Charlesa Townesa i Arthura Schawlowa. Wynikiem tych prac
jest skonstruowanie generatorów spójnego promieniowania. Masery jako pierwsi zbudowali w 1951 r.
niezależnie Charles Townes oraz Nikołaj Basow i Aleksander Prochorow, za co otrzymali nagrodę Nobla
z fizyki w 1964 r. Pierwszy laser zaświecił w 1960 r., a jego kostruktorem był Theodor Maiman. W 1963
roku Żores Ałfiorow opracowuje zasadę działania lasera półprzewodnikowego. W drugiej połowie lat 60.,
K. Kao i G. Hockham sugerują zastosowanie kwarcowych światłowodów do transmisji światła. Laser
działający na fali ciągłej w temperaturze pokojowej na heterezłączu GaAs–GaAlAs uruchamia w 1970
roku wraz ze współpracownikami Żores Ałfiorow, za co zostaje uhonorowany nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2000 roku. Skonstruowanie laserów półprzewodnikowych oraz postęp w zakresie redukcji
strat w liniach światłowodowych umożliwiły budowę światłowodowych systemów telekomunikacyjnych
I generacji opartych na fali o długości 0,85 µm.
W drugiej połowie lat 70. XX wieku opracowano nowe źródła światła laserowego wykorzystujące
związek poczwórny InGaAsP, które emitowały falę o długości 1,3 µm oraz światłowody dla tej długości
fali o małej tłumienności. Dzięki temu od lat 80. ubiegłego wieku budowane są światłowodowe linie
telekomunikacyjne II generacji pracujące na długości fali 1,3 µm. Obecnie trwają prace technologiczne
nad uruchomieniem światłowodowych linii telekomunikacyjnych III generacji wykorzystujących długość
fali 1,55 µm.
Podstawowym elementem sieci światłowodowej jest laser półprzewodnikowy emitujący fale o długości 0,85 µm, 1,31 µm lub 1,55 µm, które leżą w obszarach tzw. pierwszego, drugiego i trzeciego okna
optycznego światłowodów kwarcowych. Wyzwaniem teoretycznym i technologicznym jest skonstruownia laserów o emisji powierzchniowej zwanych VCSEL (akronim od Vertical Cavity Surface-Emitting
Laser) promieniujących falę o długościach 1,3 µm i 1,55 µm. Szczególnie doniosłe znaczenie mają badania, których podstawowym celem jest: (a) wynalezienie/synteza materiałów półprzewodnikowych
przydatnych w konstrukcji laserów półprzewodnikowych typu VCSEL emitujących fale równe lub dłuższe od 1,3 µm, (b) optymalizacja konstrukcji struktur laserowych typu VCSEL wytwarzanych wysoko
zaawansowanymi technologiami opartych na znanych związkach materiałach pod kątem stabilności ich
charakterystyk eksploatacyjnych, (c) zwiększenia mocy emitowanego z przyrządów typu VCSEL promieniowania, (d) obniżenie kosztów ich wytwarzania. Praca habilitacyjna dra Roberta Piotra Sarzały
dotyczy tego niełatwego kręgu zagadnień. Stwierdzam, że problemy podjęte w recenzowanej pracy są
aktualne oraz bardzo ważne z powodów poznawczych i aplikacyjnych.
2
Informacje ogólne i streszczenie rozprawy habilitacyjnej
Rozprawa habilitacyjna dra inż. Roberta P. Sarzały liczy 290 stron, składa się z trzynastu rozdziałów, które uzupełnia spis bibliografii. Została opublikowana przez Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
1
w 2004 r. w serii Zeszyty naukowych pod numerem 951. Na dorobek naukowy stanowiący podstawę
wszczętego przewodu habilitacyjnego składają się:
1. Trzy prace naukowe jednoautorskie opublikowane w IEEE Journal of Quantum Electronics (2004
r.), Semiconductor Science and Technolgy (2004 r.) oraz w Optica Applicata (2002 r.).
2. Siedem artykułów naukowych, których pierwszym autorem jest Habilitant opublikowanych m.in.
w Journal of Physics C: Condensed Matter, Optical and Quantum Electronics i Opto-Electronics
Review.
3. Pięć jednoautorskich referatów i komunikatów konferencyjnych.
4. Dziewięć wieloautorskich referatów i komunikatów konferencyjnych; w ośmiu z nich pierwszym
autorem jest dr inż. Robert P. Sarzała.
2.1
Streszczenie części pierwszej rozprawy
Rozprawę habilitacyjną można podzielić na dwie części. Pierwsza, rozdziały 1–4, ma charakter ogólnego
wprowadzenia. Zawiera, w czterostronicowym rozdziale 1 zatytułowanym Wstęp, krótki opis wybranych
rodzajów laserów półprzewodnikowych emitujących fale o długościach w zakresie od 1,30 µm do 1,55 µm
oraz ich rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych. Rozdział ten kończy krótka zapowiedź dwóch
podstawowych celów pracy, którymi są:
1. Komputerowe modelowanie procesów i zjawisk fizycznych obserwowanych w wybranych strukturach półprzewodnikowych laserów złączowych podczas ich funkcjonowania.
2. Wyznaczenie optymalnych parametrów struktur laserowych dla systemów światłowodowej telekomunikacji II generacji.
Pierwszy rozdział kończy ponad dwustronicowy opis wkładu własnego Autora.
Rozdział drugi, noszący tytuł Światłowodowa telekomunikacja optyczna, przedstawia na 12 stronach
dość obszerną charakterystykę światłowodowych systemów telekomunikacyjnych. Sporo miejsca jest
poświęcone wybranym właściwościom fizycznym, konstrukcyjnym i technologicznym światłowodów ze
szczególnym uwzględnieniem ich tłumienności i dyspersji.
Półprzewodnikowy laser złączowy w systemach telekomunikacji optycznej to tytuł rozdziału 3 liczącego 36 stron. Zawiera ważne informacje dotyczące zastosowań złączowych laserów półprzewodnikowych, jako źródeł światła spójnego w telekomunikacji optycznej. Przedstawiono w nim także zasadę
działania i budowę wybranych laserów złączowych dużo miejsca poświęcając charakterystyce laserów
homozłączowych i heterozłączowych, emitujących z powierzchni o planarnej wnęce rezonansowej. Pozwala to Autorowi dokonać w rozdziale 3.5 trafnej systematyki laserów złączowych przyjmując jako
kryteria klasyfikacji rodzaj konstrukcji lasera półprzewodnikowego oraz typ warstwy aktywnej. Scharakteryzowane zostały różne rozwiązania technologiczne dotyczące geometrii i właściwości fizycznych
oraz technicznych stosowanych w laserach półprzewodnikowych rezonatorów Fabry’ego-Perota, co pozwala podzielić lasery półprzewodnikowe na dwie klasy, do których należą lasery z samoistnym efektem
falowym oraz lasery z wbudowanym falowodem.
W rozdziale 3.4 omówiono konstrukcje i technologie wytwarzania oraz właściwości laserów półprzewodnikowych, poświęcając najwięcej uwagi laserom typu VCSEL promieniujących powierzchniowo
w kierunku prostopadłym do płaszczyzny złącza.
Czterostronicowy rozdział 4, kończący pierwszą część rozprawy, przedstawia zwięźle podstawowy
cel pracy, którym jest:
Zbadanie fizyki działania półprzewodnikowych laserów złączowych typu VCSEL z obszarami czynnymi wykonanymi z materiałów najbardziej obiecujących ze względu na ich
możliwości zastosowań w telekomunikacji optycznej II generacji.
W celu rozwiązania postawionego problemu Autor sugeruje:
1. Sformułowanie modelu fizycznego działania laserów typu VCSEL, których obszary czynne są wykonane z materiałów AIIIBV .
2. Opracowanie samouzgodnionych jedno-, dwu- i trójwymiarowych modeli matematyczno-numerycznych zjawisk fizycznych mających istotne znaczenie dla inicjacji i przebiegu akcji laserowej.
2
3. Wykorzystanie zaproponowanego modelu fizycznego i opracowanych algorytmów numerycznych
do symulowania komputerowego badanych struktur laserujących oraz wyznaczenia przewidywanych optymalnych charakterystyk eksploatacyjnych laserów typu VCSEL z warstwami aktywnymi
wykonanymi z potrójnych (GaInAs) i poczwórnych (GaInNAs) związków emitujących fale w paśmie drugiego okna optycznego.
2.2
Streszczenie części drugiej rozprawy
Drugą część pracy, tworzą rozdziały 5-9, które zawierają najważniejsze i oryginalne wyniki.
2.2.1
Streszczenie rozdziału 5
W rozdziale 5, noszącym tytuł Modelowanie zjawisk fizycznych w półprzewodnikowym laserze złączowym
i liczącym 33 strony, jest zaprezentowany szczegółowo autorski samouzgodniony model zjawisk: elektrycznych (rozdział 5.2), cieplnych (rozdział 5.3), optycznych (rozdział 5.4) i wzmocnienia optycznego
(rozdział 5.5), którym Habilitant posłużył się w dalszych rozdziałach (rozdziały 7-9). Rozdział 5 kończy
interesująca dyskusja (rozdział 5.6) dotycząca silnie nieliniowych zależności wyżej wymienionych grup
zjawisk fizycznych oraz prezentacja w postaci jedynie schematu blokowego środowiska obliczeniowego,
które nazwane zostaje algorytmem obliczeń numerycznych.
2.2.2
Streszczenie rozdziału 6
Materiały i konstrukcje brane obecnie pod uwagę przy wytwarzaniu nowoczesnych laserów telekomunikacyjnych to tytuł czterostronicowego rozdziału 6. Dr inż. Robert Sarzała przedstawia w nim słabe
strony laserów GaInAsP/InP stosowanych w wysoko wydajnych sieciach światłowodowych II generacji,
a następnie dyskutuje zastosowanie związku GaAlInAs domieszkowanego azotem (co poprawia dopasowanie sieciowe GaAlInAs do podłoża GaAs) w charakterze ośrodka aktywnego. Wskazuje także na
możliwość użycia innych związków i struktur półprzewodnikowych jako ośrodków aktywnych optycznie
do wykonania laserów emitujących światło w drugim oknie optycznym. Są to: (a) kropki kwantowe
InAs umieszczone w studniach kwantowych GaInAs/GaAs lub GaInNAs/GaAs; (b) wysoko naprężone
warstwy GaInAs/GaAs; (c) wysoko naprężone warstwy GaAsSb/GaAs domieszkowane antymonem.
Przedstawione właściwości fizyczne wymienionych związków uzasadniają dokonany w pracy wybór, do
eksperymentów komputerowch, materiałów aktywnych wykazujących perspektywiczne możliwości zastosowań do konstrukcji i produkcji tanich i niezawodnych laserów dla potrzeb telekomunikacji optycznej
II generacji.
2.2.3
Streszczenie rozdziału 7
Rozdział 7, zatytułowany Dotychczasowe rozwiązania oparte na materiale InGaAsP, liczący 34 strony,
jest poświęcony przedstawieniu technologii wytwarzania półprzewodnikowych laserów fosforkowych
typu VCSEL emitujących światło w zakresie długości od 1,3 µm do 1,5 µm, w których obszarem aktywnym jest heterostruktura bedąca wielokrotną studnią kwantową wykonaną na bazie związków InGaAsP/InP. W rozdziale 7.1 Autor omawia trudności technologiczne związane z masową produkcją takich
laserów i szczegółowo opisuje konstrukcje oraz przytacza parametry eksploatacyjne wybranych laserów
fosforkowych wykonanych: (a) w The Royal Institute of Technology w Sztokholmie (z różnymi rodzajami zwierciadeł), (b) w University of California at Santa Barbara (USA), (c) przez Nippon Telephon
and Telegraph Corporation (Japonia), (d) w laboratoriach firmy Alcatel.
W rozdziale 7.3 dr inż. Robert Sarzała stosuje własny model obliczeniowy do symulacji działania
lasera fosforkowego typu VCSEL, skonstruowanego w The Royal Institute of Technology w Sztokholmie,
emitującego falę o długości 1,55 µm z dwoma różnymi zwierciadłami zbudowanymi ze związków InGaAsP/InP oraz SiO2 /Si. Autor podaje niezbędne dane wejściowe określające grubości i liczby warstw
materiałów tworzących zwierciadła braggowske, grubości i liczbę studni i barier obszaru aktywnego
3
optycznie (obszar wielokrotnej studni kwantowej) oraz dane modeli: elektrycznego, cieplnego, optycznego i wzmocnienia optycznego. Następnie zajmuje się bardzo starannie i drobiazgowo prezentacją
wyników symulacji komputerowych dotyczących m.in. przestrzennego rozkładu potencjału elektrycznego w laserze w stanie ustalonym oraz radialnych rozkładów: (a) gęstości prądu, (b) nośników prądu,
(c) wzmocnienia optycznego w płaszczyźnie obszaru czynnego dla pracy w reżimie impulsowym. Autor
charakteryzuje również rodzaj modu, na którym pracuje badana struktura laserująca.
W dalszym ciągu rozdziału 7 są przytoczone wyniki symulacji funkcjonowania tej samej struktury
laserowej pracującej w reżimie ciągłym w temperaturze pokojowej. Czytelnik może zapoznać się m.in.
z wyznaczonymi na drodze eksperymentu komputerowego rozkładami radialnymi: (a) temperatury, (b)
gęstości prądu, (c) koncentracji nośników prądu przy różnych wartościach napięcia zasilającego w płaszczyźnie obszaru czynnego. Autor przytacza także dane dotyczące wkładu do mechanizmów rekombinacji
do całości prądu wstrzykiwanego w obszar aktywny i przedstawia zależności wzmocnienia optycznego
od długości fali dla różnych temperatur pracy w obszarze czynnym optycznie oraz zależności maksymalnego wzmocnienia optycznego od napięcia zasilającego. Na rys. 7.3.17 na str. 138 podsumowano
obliczenia prezentując zależności maksymalnej koncentracji, temperatury i wzmocnienia optycznego
w obszarze optycznym lasera fosforkowego od napięcia zasilającego. Autor ponownie bardzo szczegółowo, starannie i wnikliwie dyskutuje otrzymane wyniki zwracając szczególną uwagę na silną zależność
parametrów pracy lasera od nieuniknionych zmian temperatury, co przejawia się przesuwaniem się piku
wzmocnienia w stronę większych długości fal oraz bardzo znaczącym (bo wykładniczym) wzrostem absorpcji światła w obszarze aktywnym. W konkluzji Autor stwierdza, że badany laser nie może pracować
w reżimie ciągłym na fali o długości 1,55 µm i podaje tego przyczyny.
2.2.4
Streszczenie rozdziału 8
Rozdział 8 liczy 27 stron i nosi tytuł Lasery oparte na materiale GaInAs. Dr inż. R. Sarzała uzasadnia
i przedstawia w nim próbę teoretycznej analizy pracy laserów typu VCSEL emitujących promieniowanie o długościach fal 1300 nm i 1550 nm wykonanych na bazie materiałów GaInAs/GaAs. Rozdział
8.1 zawiera krótki przegląd doniesień literaturowych na temat laserów emitujących przez krawędzie
oraz z powierzchni, w których ośrodkiem aktywnym jest wielokrotna studnia kwantowa wykonana
z materiału GaInAs/GaAs zawierającego ponad 30% indu. Autor opisuje budowę badanego lasera podając grubości i liczby poszczególnych warstw materiałów heterostruktur, przewidywanych jako źródła
fali koherentnej o długościach 1200 nm, 1250 nm i 1300 nm. Następnie zamieszcza dane materiałowe
(dotyczące ich właściwości elektrycznych, optycznych, cieplnych i wzmocnienia optycznego) oraz założenia przyjęte do modelowania komputerowego badanego lasera. W rozdziale 8.2, w sposób podobny
do opisanego w rozdziale 7.3, przedstawiono i szczegółowo przedyskutowano wyniki symulacji komputerowych laserów z obszarem czynnymi w postaci wielokrotnej wysokonaprężonej studni kwantowej
GaInAs/GaAs. Wyznaczony został skład chemiczny i szerokości studni kwantowych, dla których jest
możliwe generowanie promieniowania o odpowiedniej długości fali (rys. 8.2.1). W charakterze obiektów
badań symulacyjnych wybrano (wybór uzasadniono) trzy konstrukcje przyrządów zaprojektowanych do
pracy na długościach 1200 nm, 1250 nm i 1300 nm, w których pojedynczą studnię kwantową tworzy materiał GaInAs/GaAs o szerokości 8 nm z 40% zawartością indu. Dr inż. Robert P. Sarzała przedstawia
wyniki symulacji komputerowych dotyczących zależności wzmocnienia optycznego od temperatury obszaru czynnego optycznie (rys. 8.2.3 i komentarze do niego) oraz spektralnych rozkładów wzmocnienia
optycznego (rys. 8.2.4), wskazując na bardzo dobre właściwosci eksploatacyjne lasera pracującego na
długości fali 1200 nm i możliwość wygenerowania fali o długości 1250 nm. W opinii Autora rozprawy
otrzymanie promieniowania na fali 1300 µm za pomocą analizowanego przyrządu jest problemem otwartym. Tym niemniej dr inż. Robert P. Sarzała sugeruje sposób raczej teoretyczny rozwiązania tego zagadnienia (poprzez zwiększenie temperatury obszaru czynnego na skutek przepływu dużego prądu przez
przyrząd), co poparte jest wynikami symulacji komputerowych. Rozdział 8.3 jest poświęcony modelowi
lasera z obszarem aktywnym w postaci warstw zawierających samoorganizujące się kropki kwantowe
otrzymane na bazie związków Ga(InAs)/GaAs i emitującego falę o długości 1,3 µm. Dokonano bardzo
4
rzetelnego przeglądu literatury źródłowej, a następnie przytoczono schemat budowy, podano szczegóły
konstrukcyjne lasera oraz zaprezentowano przyjęte w obliczeniach numerycznych wartości parametrów
materiałowych. W rozdziale 8.4 zamieszczono wyniki stosownych symulacji komputerowych przeprowadzonych dla 3 rodzajów rezonatorów z ilustrowanych na rys. 8.3.1 z wbudowanymi warstwami oksydacyjnmi. Autor przytacza i dyskutuje rezultaty obliczeń samouzgodnionych dotyczące m.in. wzmocnienia
optycznego w warstwie aktywnej w temperaturze pokojowej w zależności od koncentracji swobodnych
nośników przy podanych gęstościach powierzchniowych kropek kwantowych dla różnych wartości szerokości połówkowej kropek kwantowych i generowania fali o długościach 1223 nm i 1303 nm. Rozważono
możliwość uzyskania odpowiednio dużego wzmocnienia optycznego poprzez bardzo staranne, wręcz wyrafinowane, zaprojektowanie rezonatora optycznego zmniejszającego straty promieniowania w laserze.
W związku z tym rozpatrzono dwie zaproponowane konstrukcje lasera (przedstawione na rys. 8.4.1a i
8.4.1b), różniące się położeniami w przyrządzie warstw oksydacyjnych. Autor starannie charakteryzuje,
na przykładzie lasera VCSEL z obszarem czynnym w postaci 3 warstw kropek kwantowych i rezonatorem 3λ, zależność prądu progowego i jego gęstości od promienia obszaru czynnego oraz efektywnego
wzmocnienia modowego od grubości warstw oksydacyjnych. Na podstawie otrzymanych wyników wyciąga wniosek, że optymalna wartość promienia warstw oksydacyjnych odpowiada 4 nm, co potwierdzają
rezultaty przedstawione na rys. 8.4.11 ilustrującego zależność efektywnego wzmocnienia modowego od
promienia obszaru aktywnego. Dalej Czytelnik znajdzie dyskusje dotyczące: (a) wpływu na parametry akcji laserowej w badanych układach liczby warstw zawierających kropki kwantowe (patrz rys.
8.4.12 i 8.4.13); (b) wymagań technologicznych stawianych warstwom kropek kwantowych, ponieważ
otrzymanie dużej wartości wzmocnienia optycznego w decydującej mierze zależy od gęstości powierzchniowej kropek oraz od jednorodności emitowanego przez nie promieniowania. Dr inż. Robert P. Sarzała
przedstawia wyznaczone numerycznie optymalne wartości gęstości powierzchniowej kropek oraz wartości parametru charakteryzującego ich jednorodność umożliwiające wzbudzanie się modu podstawowego
w badanych 3 wariantach lasera VCSEL (patrz rys. 8.4.14 i dyskusja w tekście pracy).
2.2.5
Streszczenie rozdziału 9
Rozdział 9, pt. Lasery oparte na materiale GaInNAs, liczy 47 stron i zawiera wyniki zastosowania
opracowanej przez Habilitanta metodologii do zbadania właściwości struktur laserujących opartych na
intensywnie badanych w ostatnich latach związkach materiałowych III-V-N typu GaInNAs/GaAs, które
w porównaniu ze związkami fosforkowymi GaInAsP/InP wykazują obiecujące perspektywy umożliwiające uzyskiwanie długofalowego promieniowania laserowego o długościach około 1,3 µm.
W rozdziale 9.1 Czytelnik znajdzie obszerną charakterystykę struktury krystalicznej i właściwości fizycznych związków GaNAs oraz Ga(In)NAs otrzymywanych na podłożu GaAs z kilkuprocentową
zawartością azotu techniką Molecular Beam Epitaxy lub Metal Organic Vapour Phase Epitaxy. Scharakteryzowano m.in. zależność przerwy energetycznej i masy efektywnej elektronu od składu chemicznego
związku GaNxAs1−x , omówiono diagram przedstawiający wartości stałych sieciowych i przerw energetycznych wybranych potrójnych oraz poczwórnych materiałów półprzewodnikowych otrzymywanych
w wyniku domieszkowania azotem związków typu GaP, GaAs, InP, InAs. Przytoczono również schemat
struktury pasmowej półprzewodnika GaInNAs wraz z tabelą 9.1.1 podającą typowe wartości jego parametrów materiałowych. W rozdziale 9.2 scharakteryzowano struktury laserowe emitujące krawędziowo
wyprodukowane dotychczas na bazie związku materiałowym GaInNAs/GaAs, które emitują fale o długościach z zakresu od 1,18 µm do 1,39 µm. Dodanie antymonu pozwala na emisję fali o długościach
większych (nawet 1,5 µm). Następnie Autor rozprawy omawia prace i postęp osiągnięty dotychczas
w zakresie konstrukcji laserów typu VCSEL budowanych na tym samym związku materiałowym. Za
najbardziej perspektywiczną Habilitant słusznie uznaje rozwiązanie zaproponowane przez konsorcjum
Infineon, które zostaje wybrane do dalszych eksperymentów komputerowych. Określona zostaje struktura materiałowa takiego lasera (rys. 9.2.1), przytoczone są dane konstrukcyjne lasera (Tabela 9.2.1)
z dwoma studniami kwantowymi GaInNAs/GaAs, jako obszarem aktywnym, przedstawiono przyjęte
w symulacjach komputerowych wartości parametrów materiałowych charakteryzujących właściwości
5
elektryczne, cieplne, wzmocnienia optycznego i optyczne badanej struktury.
Wyniki numeryczne i ich dyskusja są przedmiotem rozdziału 9.3, gdzie na wstępie zamieszczono:
(a) model pasmowy 6,5 nm studni kwantowej Ga0,66 In0,34 N0,017 As0,983 /GaAs w temperaturze 300
i 380 K (rys. 9.3.1); (b) zależność długości emitowanej fali od temperatury. W tym miejscu badań
Autor czyni bardzo ważne spostrzeżenie, że rozpatrywany laser dobrze stabilizuje długości emitowanego promieniowania, które nie ulegają zmianom na skutek zmian temperatury otoczenia i wnętrza
przyrządu. Następnie dyskutowane są technologiczne sposoby i propozycje ograniczenia elektrycznego
i optycznego przy zastosowaniu wbudowanych, w odpowiednie miejsce struktury przyrządu, warstw
oksydacyjnych, co zapewnia obniżenie prądu progowego, poprawia selekcję modową i powiększa wzmocnienie optyczne. Kolejnym poruszonym zagadnieniem jest problem otrzymania jednorodności nośników
prądu wstrzykiwanych do obszaru aktywnego lasera VCSEL (rys. 9.3.4). Autor przedstawia zależność
wzmocnienia optycznego od koncentracji nośników w obszarze czynnym przy wybranych temperaturach
(rys. 9.3.5) oraz wykresy radialnego rozkładu wzmocnienia optycznego otrzymane dla lasera z rezonatorem 1,5λ i aperturą elektryczno-optyczną wynoszącą 4 µm dla wybranych wartości temperatur (rys.
9.3.6). Następnie Habilitant przystępuje do komputerowego symulowania pracy lasera określając na
wstępie parametry złącza (gęstość wstecznego prądu nasycenia, współczynnik kształtu) oraz zależności prądu progowego od temperatury. Zależności wartości prądu progowego oraz charakterystycznego
parametru T0 od temperatury warstwy aktywnej dla różnych składów podwójnej studni kwantowej:
Ga0,65 In0,35 N0,018 As0,982 /GaAs Ga0,66 In0,34 N0,017 As0,983 /GaAs i Ga0,66 In0,34 N0,015 As0,985 /GaAs przedstawiają odpowiednio rys. 9.3.7a, 9.3.7b i 9.3.7c. Na tej podstawie wyznaczony zostaje optymalny skład
studni odpowiadający związkowi Ga0,66 In0,34 N0,017 As0,983 /GaAs (34% indu i 1,7% azotu). Następnie
dr inż. Robert P. Sarzała dyskutuje bardzo istotny problem zależności progowych profili wzmocnienia
optycznego od temperatury odbiornika ciepła dla struktur laserujących z rysunku 9.3.7. Ważnym wynikiem jest zauważenie efektu przemieszczania się piku wzmocnienia względem piku rezonatora przy
zmianie temperatury odbiornika ciepła (rys. 9.3.8), co można wykorzystać do optymalizacji parametrów
eksploatacyjnych lasera.
W dalszym ciągu tego rozdziału Czytelnik znajdzie rezultaty eksperymentu komputerowego
dotyczące zależności długości emitowanego światła oraz rodzaju wzbudzanego modu w laserze
Ga0,65 In0,35 N0,018 As0,982 /GaAs, z rezonatorem 1,λ oraz zależność maksymalnego wzmocnienia od średnicy obszaru aktywnego (patrz rys. 9.3.10, 9.3.11 i 9.3.12).
Habilitant analizuje także wpływ na jakość akcji laserowej w modelowanym laserze VCSEL struktur
o dłuższym rezonatorze, tj. wpływu geometrii spacerów (obszarów typu p i n oddzielonych częściowo
od obszaru aktywnego warstwami oksydacyjnymi) na rozpływ prądu w strukturze lasera. Rys. 9.3.14
prezentuje rozkład progowego wzmocnienia optycznego w laserze z warstawami oksydacyjnymi z rezonatorem 3λ oraz dwoma studniami kwantowymi na materiale Ga0,66 In0,34 N0,017 As0,983 /GaAs.
Rezultaty szczegółowej analizy wpływu poszczególnych warstw lasera na rozpływ prądu przedstawia i podsumowuje rys. 9.3.15, gdzie zamieszczono radialne rozkłady gęstości prądu progowego
dla różnych długości (3λ, 2λ i 1,5λ) rezonatorów. Autor ponownie wnikliwie dyskutuje otrzymane wyniki i uzasadnia, że laser typu VCSEL z rezonatorem 3λ , dwiema studniami kwantowymi
Ga0,66 In0,34 N0,017 As0,983 /GaAs wykazuje lepsze właściwości eksploatacyjne od lasera z rezonatorem
dwukrotnie krótszym (rys. 9.3.16 i 9.3.17).
Dr inż. Robert P. Sarzała podejmuje także badania właściwości eksploatacyjnych laserów VCSEL
o dużej aperturze, a więc o większej mocy, z dwiema warstwami oksydacyjnymi o różnych średnicach umieszczonych w strukturze przyrządu w określonych miejscach. Zagadnienie to zostaje przetestowane na strukturze zawierającej dwie studnie kwantowe typu GaInNAs/GaAs z parametrami
materiałowo-konstrukcyjnymi przedstawionymi na rys. 9.3.18 oraz w tabeli 9.3.1. Wyznaczone zostały najpierw charakterystyki eksploatacyjne zaproponowanej struktury laserującej o małej aperturze
optycznej (jej średnica nie przekracza 5 µm), stosując eksperyment komputerowy, a otrzymane wyniki
skomentowano i przedstawiono na rys. 9.3.19–21.
W końcowej części rozdziału 9 Habilitant zajmuje się nowatorskimi konstrukcjami i właściwościami
eksploatacyjnymi laserów o dużej aperturze optycznej i z dwiema oksydacjami o różnych średnicach
6
pełniących rolę ograniczenia optycznego (górna) i elektrycznego (dolna). Dr inż. Robert P. Sarzała
przyjmuje średnicę górnej oksydacji za 10 µm i zmienia promień dolnej otrzymując optymalną generację modu podstawowego w szerokim zakresie temperatur obszaru aktywnego przy wartości promienia
dolnej oksydacji równej 3,75 µm (rys. 9.3.24-25). Dla tak określonej struktury laserującej wykonane
zostają kolejne eksperymenty komputerowe dotyczące radialnych rozkładów gęstości prądu progowego
oraz progowych wzmocnień optycznych w laserach o zmiennych promieniach oksydacji. Na podstawie
otrzymanych wyników, w zakończeniu rozdziału 9, dr inż. Robert P. Sarzała formułuje ważną sugestię
pod adresem przyszłych rozwiązań konstrukcyjnych, a mianowicie, że zróżnicowanie promieni oksydacji
optycznej i elektrycznej prowadzi do znaczącego poprawienia właściwości eksploatacyjnych rozpatrywanych laserów.
Podsumowanie najważniejszych wyników pracy oraz jej streszczenie znajdują się odpowiednio w rozdziałach 10 i 11.
Rozdział 12, zatytułowany Charakterystyka zawodowa oraz spis prac autora, jest poświęcony charakterystyce dotychczasowej działalności naukowej Habilitanta, która zaczęła się w 1990 r. wraz z podjęciem
pracy w Instytucie Fizyki Politechniki Łódzkiej w charakterze pracownika naukowo-dydaktycznego na
stanowisku asystenta. W tym samym rozdziale zamieszczono opis działalności organizacyjnej i dydaktycznej oraz obszerny spis prac dra inż. Roberta P. Sarzały.
Rozprawę habiltacyjną zamyka spis literatury zawierający 365 pozycji, który świadczy o bardzo
dobrej znajomości literatury przedmiotu.
3
Charakterystka dorobku naukowego związanego z rozprawą habilitacyjną
Dorobek naukowy stanowiący podstawę rozprawy habilitacyjnej zawiera w większości publikacje wieloautorskie. W dokumentach znajdują się stosowne oświadczenia współautorów, którzy jednoznacznie
określają swój udział w realizacji publikacji, nie posługując się przy tym procentami, które są właściwe
i merytorycznie uzasadnione w przypadku definiowania siły oddziaływania mało- i wysokoprocentowych
napojów. I tak prof. dr hab. Włodzimierz Nakwaski, kierownik Zespołu Fizyki Komputerowej Instytutu
Fizyki Politechniki Łódzkiej, w podpisanym przez siebie oświadczeniu stwierdza: Pragnę podkreślić, że
we wszystkich pracach zestawionych w powyższym spisie rola dra Roberta Sarzały była zdecydowanie
dominująca i wszystkie były realizacją Jego własnych oryginalnych pomysłów przez Niego zaproponowanymi oryginalnymi metodami wiodącymi do przez Niego przewidywanego celu przy użyciu oryginalnego
programu komputerowego Jego autorstwa, zawierającego pewne elementy przygotowane przez innych
członków mojego zespołu.
Prof. dr hab. Maciej Bugajski z Instytutu Technologii Elektronowej w Warszawie stwierdza: [. . . ]
mój udział był związany z konsultowaniem metod wyznaczania wzmocnienia optycznego w strukturach
niskowymiarowych. Wszystkie powyższe prace były realizacjami oryginalnych pomysłów dra Roberta P.
Sarzały pod Jego kierownictwem i przy Jego dominującym udziale.
Dr Paweł Maćkowiak, współautor 8 prac, pisze: [. . . ] mój udział sprowadzał się do dostarczenia
oprogramowania opisującego zachowanie pola optycznego w strukturach typu VCSEL skalarną metodą
efektywnej częstotliwości. Wszystkie powyższe prace były realizacjami oryginalnych pomysłów dra Roberta Sarzały, pod Jego kierownictwem i przy Jego dominującym udziale.
Podobne w treści oświadczenia złożli pozostali współautorzy, którymi byli: dr Michał Wasiak, dr Tomasz Czyszanowski, mgr inż. Piotr Mendla oraz mgr inż. Sebastian Macegoniuk — wszyscy z Instytutu
Fizyki Politechniki Łódzkiej.
4
Ocena dorobku naukowego
Według złożonej w Instytucie Fizyki Politechniki Wrocławskiej dokumentacji na dorobek naukowy dra
inż. Roberta P. Sarzały składa się:
7
1. Pięćdziesiąt pięć publikacji w czasopismach o cyrkulacji międzynarodowej i krajowej, z czego 20
przed doktoratem. Wśród nich nazwisko Habilitanta występuje 13 krotnie na pierwszym miejscu.
Z wymienionej liczby 20 publikacji (przed doktoratem) 14 ukazało się w tzw. twardych czasopismach, którymi są (w nawiasach podano liczbę prac opublikowanych): Journal of Thermal Analysis (3), Soviet Journal of Quantum Electronics (1), International Journal of Optoelectronics (5),
Optical and Quantum Electronics (1), Electron Technology (3), Optics Communications (1), Journal of Physics D: Aplied Physics (1). Pozostałe prace są materiałami konferencyjnymi lub zostały
wydane w Zeszytach naukowych Politechniki Łódzkiej.
Dorobek publikacyjny dra inż. Roberta P. Sarzały po doktoracie obejmuje 35 artykułów naukowych. Jest pierwszym autorem czternastu z nich. W liczbie 35 znajdują się 3 wysłane do druku,
dalsze 3 zaakceptowane do druku, a jedna w druku. Publikacje te ukazały się w następujących
twardych czasopismach: Semiconductor Science and Technology (4), Optica Applicata (5), physica status solidi (c) (2), Optical and Quantum Electronics (2), Opto-Electronics Review (4 oraz
3 zaakceptowane do druku), Journal of Physics D: Aplied Physics (1), Applied Physics A: Materials Science and Processing (2), IEEE Journal of Quantum Electronics (1), Journal of Physics
C: Condensed Matter (1), Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures (1 w druku).
Trzy prace zostały wysłane do druku do następujących czasopism: Applied Physics A: Materials
Science and Processing, Optica Applicata oraz Journal of Physics C: Condensed Matter.
2. Pięćdziesiąt komunikatów konferencyjnych z czego 41 po doktoracie. Nazwisko Habilitanta wymienione jest na pierwszym miejscu w 16 doniesieniach konferencyjnych.
3. Dwóch zaakceptowanych do druku rozdziałów w książkach pt. Designing of Vertical-Cavity
Surface-Emitting Semiconductor Lasers for Modern Long-Wavelength Optical-Fibre Semiconductor Science oraz Nitride Vertical-Cavity Surface-Emitting Diode Lasers: Problems to Be Solved,
które mają być wydane w tym roku przez Nova Science Publishers w USA.
4. Pięciu krajowych zgłoszeń patentowych. W trzech z nich nazwisko Habilitanta figuruje na pierwszym miejscu.
Jedenaście prac dra inż. Roberta Sarzały było dotychczas cytowanych 45 razy.
Dr inż. Robert Sarzała był wykonawcą lub głównym wykonawcą 5 projektów badawczych finansowanych przez KBN, z których jeden był współfinansowany przez Unię Europejską. Obecnie kieruje
projektem pt. Optymalizacja struktur laserów złączowych na pasma 1,3 µm i 1,55 µm wykorzystywane
w światłowodowej telekomunikacji optycznej umożliwiająca wykonanie laserów w warunkach polskich,
finansowanym przez Ministerstwo Nauki i Informatyzacji o okresie realizacji 1 X 2003 – 30 IX 2005.
Jest uczestnikiem międzynarodowych projektów badawczych UE: COST P11 i COST 288.
Był dotychczas opiekunem 6 prac magisterskich.
5
Ocena merytoryczna rozprawy
Przedmiotem rozprawy jest bardzo staranna i wszechstronnie przeprowadzona analiza porównawcza
możliwych i obiecujących rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych półprzewodnikowych laserów złączowych typu VCSEL emitujących fale o długościach około 1,3 µm. Celem tej analizy było wyznaczenie
optymalnych charakterystyk eksploatacyjnych modelowych przyrządów. Jest to bardzo ważny aspekt
podnoszący wartość wykonanych badań ze względu na perspektywę ich wykorzystania w optycznej
telekomunikacji II generacji. O stopniu trudności podjętych badań najdobitniej świadczy wyjątkowo
skomplikowana struktura laserów złączowych, złożonych z kilkudziesięciu a nawet kilkuset warstw materiałów. Trudności potęguje jeszcze bardzo złożona dynamika akcji laserowej będąca wypadkową wzajemnych i nieliniowych oddziaływaniach pomiędzy zjawiskami optycznymi, elektrycznymi, cieplnymi i
rekombinacyjnymi.
Do najważniejszych osiągnięć rozprawy habilitacyjnej zaliczam:
1. Sformułowanie modelu fizycznego działania laserujących struktur półprzewodnikowych uwzględniającego ich właściwości optyczne, elektryczne, cieplne oraz wzmocnienia optycznego oraz ich
8
wzajemne oddziaływania (rozdziały 5.1–5.5).
2. Opracowanie samouzgodnionego algorytmu obliczeń do wyznaczanie charakterystyk eksploatacyjnych i konstrukcyjnych rozpatrywanych w pracy połprzewodnikowych struktur laserujących typu
VCSEL (rozdziały 5.6 i 5.7). Jest to moim zdaniem bardzo zaawansowane i unikalne narzędzie
badawcze umożliwiające analizę zjawisk fizycznych w różnych konstrukcjach połprzewodnikowych
laserów złączowych typu VCSEL. Stworzone przez Habilitanta środowisko programowe umożliwia
wyznaczenie m.in. rozkładu temperatury, potencjału, gęstości prądu, koncentracji nośników oraz
wzmocnienia optycznego w reżimie progowej akcji laserowej w strukturach typu VCSEL. Pozwala
ono również określać typ modu, który w tych warunkach będzie wzmacniany w zastosowanym
rezonatorze. Opracowane przez Habilitanta oprogramowanie uważam za istotny wkład do fizyki
komputerowej.
3. Zaproponowanie, w rozdziałach 8.1 i 8.2, na podstawie przeprowadzonych eksperymentów komputerowych, nowego rozwiązania materiałowo-konstrukcyjnego lasera wykonanego na wysoko naprężonych studniach kwantowych GaInAs/GaAs z odpowiednim rezonatorem i zwierciadłami,
zdolnego do stabilnej pracy w szerokim zakresie temperatur i emitującego falę o długości 1,26 µm.
4. Wyniki badań dotyczących właściwości fizycznych i optymalizacji laserów VCSEL, w których obszarem czynnym są warstwy z kropkami kwantowymi (InGa)As/GaAs (rozdziały 8.3 i 8.4).
5. Wszechstronną i miejscami nowatorską analizę działania i właściwości eksploatacyjnych laserów
typu VCSEL zbudowanych na systemie materiałowym GaInNAs/GaAs i emitujących promieniowanie o długościach z obszaru drugiego okna optycznego. Na szczególne podkreślenie zasługują
wyniki dotyczące grubości warstw i składu chemicznego obszaru czynnego oraz sposobu dopasowania do niego rezonatorów, co pozwala otrzymywać potencjalne struktury o lepszych parametrach
pracy niż tradycyjne lasery fosforkowe. Wartościowe sa także wyniki symulacji komputerowych
dotyczące optymalizacji ich struktur ze względu na minimalizację prądu progowego, selektywność
modową, stabilizację parametrów pracy wraz ze zmianą temperatury otoczenia, minimalizację
napięcia zasilania. Najbardziej wartościowym elementem tej analizy jest nowa idea rozwiązania
konstrukcyjnego polegającego na wykonaniu struktur laserowych z dwiema oksydacjami o różnych
promieniach.
Autor prezentuje w rozprawie ogromną ilość wyników, głownie w postaci wykresów, które są opisane
zwięźle i jasno.
Przejdę do przedstawienia uwag krytycznych.
1. Autor rozprawy habilitacyjnej nie przedstawia niestety bliższych szczegółów opracowanego przez
siebie samouzgodnionego algorytmu numerycznego skupiając się głównie na prezentacji wyników
przeprowadzonych eksperymentów komputerowych. W związku z tym odniosłem niemiłe wrażenie,
że recenzuję wyniki obliczeń numerycznych otrzymanych za pomocą tzw. czarnej skrzynki. Wartość pracy podniosłoby zamieszczenie w niej informacji dotyczących m.in. stabilności numerycznej zastosowanych procedur, ilościowej charakterystyki procedur samouzgadniania, krytycznej (tj.
silnej lub wyjątkowo silnej) zależności wyników symulacji od konkretnych i wskazanych wartości
parametrów modelu. W rozprawie ograniczono się jedynie do przedstawienia ramkowo-słownego
schematu samouzgodnionych obliczeń. Odczuwam niedosyt danych charakteryzujących ilościowo
znaczenie dwukrotnie użytych w ramkach schematu blokowego zwrotów słownych osiągnięto zamierzoną dokładność? Dlatego wydaje się celowym przygotowanie odrębnej publikacji reprezentującej w jawnej postaci oprogramowanie i programy komputerowe, którymi posłużono się w rozprawie. Będzie to moim zdaniem istotny wkład Autora (Autorów) do fizyki komputerowej, zwanej
także fizyką obliczeniową.
2. W rozprawie zaprezentowano ogromną liczbę wyników numerycznych przeprowadzonych eksperymentów (symulacji) komputerowych. Jak wiadomo każdy eksperyment, w tym komputerowy, jest
obarczony określonymi niepewnościami. Na żadnym z rysunków, ani też w żadnym miejscu tekstu
rozprawy nie znalazłem informacji lub danych o wartości niepewności przedstawianych wyników
9
3.
4.
5.
6.
6
numerycznych. Analiza niepewności jest zagadnieniem trudnym, ale jednocześnie kwestią niezwykle istotną ze względu na silnie nieliniowy charakter modelowanych tutaj zjawisk. Uważam, że
ten aspekt eksperymentów komputerowych należało koniecznie skomentować i przedyskutować
w oddzielnym rozdziale rozprawy.
W rozprawie brakuje szerszego odniesienia się Autora i próby porównania opracowanego samouzgodnionego algorytmu z istniejącymi programami komputerowymi umożliwiającymi symulowanie akcji lasera typu VCSEL w strukturach półprzewodnikowych.
Autor rozprawy dyskutując i proponując własny model zjawisk fizycznych stosuje w zasadzie teorię klasyczną lub fenomenologiczną. W rozdziale 9 wspomina zjawisko kwantowe (złącze tunelowe
str. 219), jakim jest tunelowanie nośników. Za wskazane wydaje mi się zamieszczenie komentarza
dotyczącego uzasadnienia zastosowanego podejścia, co ma lub może mieć istotne znaczenie ze
względu na nanometrowe rozmiary elementów strukturalnych w rozpatrywanych konstrukacjach
laserów.
Dr inż. Robert P. Sarzała zajmuje się półprzewodnikowymi strukturami laserującymi wykorzystującymi jako ośrodek aktywny warstwy materiałowe zawierające kropki kwantowe. Jednakże
w spisie literatury źródłowej nie znalazłem jednej z podstawowych pozycji, jaką jest monografia
pt. Quantum Dots, której autorami są Lucjan Jacak, Paweł Hawrylak i Arkadiusz Wójs.
W tekście rozprawy natrafiłem tylko na kilka potknięć redakcyjnych. Oto wybrane przykłady:
(1) Cytuję zdanie ze strony 23: Na ziemi musimy radzić sobie inaczej [. . . ]; nazwę własną zredagowano małą literą; (2) Na str. 184 zauważyłem słowo nazycenia; (3) Na stronie 185 w opisie
rysunku brakuje symboli niezredagowanego fragmentu tekstu ujętego w nawias; (4) Na str. 186
użyto słowa mnijsze, na str. 190 osydacyjne, na str. 245 umieszcone.
Podsumowanie
Autor rozprawy habilitacyjnej zrealizował założone cele. Nie ustrzegł się przy tym kilku wskazanych
uchybień, które nie umniejszają mojej bardzo wysokiej oceny merytorycznej Jego osiągnięć.
Otrzymane wyniki wnoszą istotny wkład do wiedzy o fizyce działania rozpatrywanych w pracy laserów typu VCSEL. Z technologicznego punktu widzenia bardzo cenne są rezultaty dotyczące optymalizacji rozpatrywanych struktur laserujących typu VCSEL w celu otrzymania optymalnych właściwości
eksploatacyjnych dla potrzeb telekomunikacji światłowodowej II generacji.
Znaczący jest dorobek publikacyjny Habilitanta mierzony liczbą publikacji w recenzowanych czasopismach oraz komunikatów i doniesień na międzynarodowych konferencjach naukowych.
Na podkreślenie zasługuje także 5 krajowych zgłoszeń patentowych oraz udział w realizacji lub
kierowanie projektami finansowanymi ze środków KBN i UE.
Wysoko oceniam działalność dydaktyczną i organizacyjną Habilitanta.
Dr inż. Robert P. Sarzała to bardzo utalentowany fizyk, którego charakteryzuje wysoki stopień samodzielności. Jego rozprawa habilitacyjna i imponujący dorobek naukowy świadczą dobitnie o znakomitej
znajomości fizyki półprzewodnikowych laserów typu VCSEL i zaawansowanych algorytmów obliczeniowych, które umożliwiły mu stworzenie wydajnego środowiska pozwalającego szybko i efektywnie
przeprowadzać eksperymenty i symulacje komputerowe funkcjonowania rozpatrywanych przyrządów.
Biorąc to wszystko pod uwagę stwierdzam, że recenzowana rozprawa habilitacyjna spełnia ustawowe wymogi i wnioskuję o jej przyjęcie oraz dopuszczenie dra inż. Roberta Piotra Sarzały do dalszych
etapów przewodu habilitacyjnego.
10