ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 6, № 3, 2010, стр. 5-11
ФИЗИКА
УДК 621.373.826
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С УПРАВЛЯЕМОЙ ПЕРЕДИСЛОКАЦИЕЙ МАКСИМУМА АМПЛИТУДЫ ВОЛНОВЫХ
ФУНКЦИЙ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
© 2010 г. Б.Г. Коноплев12, Е.А. Рындин1, М.А. Денисенко2
Предложены принципы построения и структура интегрального инжекционного лазера с функционально интегрированным модулятором на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, обеспечивающим амплитудную модуляцию стимулированного излучения сигналами терагерцового диапазона. Обсуждаются результаты численного моделирования быстродействующего инжекционного лазера.
Ключевые слова: интегральный инжекционный лазер, амплитудная модуляция, терагерцовый диапазон.
Высокие темпы развития технологических процессов наноэлектроники, обусловленные появлением принципиально нового нанотехнологического оборудования, позволяют создавать полупроводниковые наноструктуры, содержащие области с кван-товоразмерными эффектами (квантовые ямы, квантовые провода и квантовые точки), определяющие возможности достижения уникальных характеристик элементной базы наноэлектроники, и прежде всего сверхвысокого быстродействия [1].
Одним из важных и перспективных направлений наноэлектроники является интегральная оп-тоэлектроника, предполагающая замену электрических сигналов оптическими и, таким образом, позволяющая решить ряд проблем, связанных с созданием сверхбыстродействующих интегральных устройств на основе наноразмерной элементной базы, в частности проблему сокращения задержек сигналов в соединительных линиях. Основной принцип оптоэлектроники состоит в модуляции стимулированного излучения, генерируемого лазерными элементами, с последующим преобразованием модулированных оптических сигналов в соответствующие электрические импульсы [2].
Инжекционные лазеры с амплитудной модуляцией генерируемого излучения являются важнейшими элементами интегральных оптоэлектрон-ных систем [1]. Методы амплитудной модуляции
1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; тел. (8634) 31-15-84, e-mail: rynenator@gmail.com.
2 Технологический институт Южного федерального университета, 347928, Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44; тел. (8634) 37-17-67, e-mail: kbg@tti.sfedu.ru.
лазерного излучения можно разделить на внешние и внутренние. Внешние методы предполагают модуляцию параметров сформированного лазерного луча, а внутренние обеспечивают модуляцию посредством воздействия на сам квантовый генератор, то есть модуляцию луча в процессе его формирования [2].
В настоящее время в оптоэлектронных системах для внешней амплитудной модуляции лазерного излучения успешно используют поляризационные модуляторы на основе электрооптического или магнитооптического эффектов, характеризуемые высоким быстродействием (менее 10-9 с) [2]. Однако их существенным недостатком, особенно критичным в области интегральной оптоэлектроники, является использование таких кристаллических материалов, как, например, ниобат лития ЫКЬ03, что приводит к невозможности изготовления модуляторов в едином технологическом цикле с полупроводниковыми лазерными и логическими интегральными элементами на основе полупроводниковых материалов группы АШБУ.
Внутренние методы амплитудной модуляции реализуются либо посредством управления плотностью тока накачки, либо за счет изменения добротности лазера, причем подобное изменение получают, помещая поляризационный модулятор на пути прохождения луча в открытом резонаторе лазера. При внутренней модуляции посредством управления током инжекции лазера кристаллы, подобные ЫКЬ03, не используются, что снимает связанный с этим комплекс технологических проблем. Однако с учетом того, что динамика модуляции излучения при использовании такого подхода определяется
переходными процессами в цепи питания лазера, инерционностью процессов накопления и рассасывания носителей заряда в его активной области, максимальная частота амплитудной модуляции для современных инжекционных лазеров не превышает 10 ГГц [2].
Учитывая масштабность современных исследований, направленных на создание различных по назначению систем терагерцового диапазона, можно понять, что повышение максимальной частоты амплитудной модуляции излучения, генерируемого интегральными инжекционными лазерами, является актуальной проблемой.
В работах [3-5] представлены результаты разработки и исследования интегральных логических элементов и коммутаторов с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости на основе гетероструктур материалов группы АШВУ. Показано, что использование методов зонной инженерии, принципа управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в сочетании с принципами комплементарной логики обеспечивает сокращение минимального времени задержки интегральных элементов до значений менее 0,2 пс. В данной работе исследуется возможность создания на основе перечисленных принципов интегральных инжекционных лазеров с функционально интегрированными амплитудными модуляторами, обеспечивающими модуляцию стимулированного излучения в терагерцовом диапазоне частот для практического использования в телекоммуникационных и вычислительных системах, средствах связи, системах регистрации и анализа быстропротекающих физических процессов и др.
Предлагаемые принципы построения быстродействующих инжекционных лазеров на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях могут быть сформулированы следующим образом:
- инжекционный лазер представляет собой наноструктуру, в которой функционально интегрированы области вырожденного р-п-перехода (гомо- или гетероструктурного) с соответствующими омическими контактами и гетероструктура амплитудного модулятора в виде системы квантовых областей с управляющими затворами в активной области лазера;
- продольное электрическое поле создает определенный, неизменный во времени, уровень ин-жекции носителей заряда и, соответственно, инверсную заселенность энергетических уровней в квантовых ямах активной области лазера, а попе-
речное поле управляющих затворов модулятора позволяет изменять интенсивность стимулированного излучения за счет управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций электронов и дырок в области инверсной заселенности;
- с использованием методов зонной инженерии создается наноразмерная гетероструктура, в которой квантовая яма в зоне проводимости пространственно смещена относительно квантовой ямы в валентной зоне таким образом, что данные квантовые области имеют одинаковую ширину и лишь частично пространственно перекрываются с целью обеспечения пространственного наложения максимумов амплитуды волновых функций электронов и дырок при одном направлении поперечного управляющего электрического поля и, соответственно, их пространственного разделения при противоположном направлении управляющего поля;
- при неизменном во времени уровне инжек-ции электронов и дырок в активную область лазера суммарное число носителей заряда в квантовых областях при изменении направления поперечного управляющего поля остается практически неизменным, в результате чего максимальная частота амплитудной модуляции лазерного луча определяется не относительно инерционными процессами накопления и рассасывания носителей, а лишь временем управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций электронов и дырок в квантовых областях зоны проводимости и валентной зоны. Согласно результатам численного моделирования, приведенным в работах [4, 5], для наноструктур логических элементов и коммутаторов с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций электронов и дырок типичное время процесса передислокации составляет менее 0,2 пс, что соответствует частотам терагер-цового диапазона.
Структура одного из вариантов инжекционного гетеропереходного лазера с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда представлена на рисунке 1.
В данной структуре, как и в традиционных лазерных диодах, создание инверсной заселенности осуществляется за счет прямого смещения вырожденного р-п-перехода [1, 2, 6]. Однако в отличие от традиционных лазерных структур, вырожденный р-п-переход в данном случае горизонтальный, причем р+- и п+-области разделены вертикальной наногетероструктурой амплитудного модулятора, содержащего квантовые ямы в зоне проводимости и валентной зоне на основе гетеропереходов GaAs/ 1^аА8/1^а8ЬА8^а8ЬА8^аА8, пространственно смещенные друг относительно друга, а также два управляющих перехода (переход Шоттки и р-п-
ит
У00
п-СгАя
/-Ш/та^Ав
¿-СаЗЬ^Ав^
Спй
г-Гп^Оа] .^Ь^Ав^
г'-СаАв
р+-ОаАз
и,
т
Р+
Полуизолирующий ОаАв
Рис. 1. Структура инжекционного лазера с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда
переход), позволяющие создать поперечное управляющее поле. Таким образом, рассматриваемая интегральная структура представляет собой фактически лазерный триод.
Зонные диаграммы в центральном сечении модулятора при противоположных направлениях поперечного управляющего поля с учетом высокого уровня инжекции носителей заряда в активную область лазера приведены на рисунке 2.
Предполагается, что по цепи питания лазера задается неизменный во времени уровень инжекции носителей в активную область, достаточный для создания инверсной заселенности уровней в квантовых ямах модулятора и определяемый из условия [7]:
Ер — Ер > Ее - Е
V5
(1)
где Ерп - квазиуровень Ферми для электронов, Ерр - квазиуровень Ферми для дырок, ЕС - уровень дна зоны проводимости, Е^? - уровень потолка валентной зоны.
За счет того, что квантовые ямы в активной области лазера в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, пространственно смещены друг относительно друга и совмещены лишь частично в пределах узких краевых областей, при направлении поперечного управляющего поля, соответствующем рисунку
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.