Функционально-интегрированный быстродействующий инжекционный лазер-модулятор для оптоэлектронных компонентов систем мониторинга

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 373. 826
ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР-МОДУЛЯТОР ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА 1Денисенко М.А., 1,2Рындин Е.А., 3Левин Д.Д.
]ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», Таганрог, e-mail: dema. bmfe@gmail. com-
2ФГБУН «Южный научный центр Российской академии наук»,
Ростов-на-Дону, e-mail: rynenator@gmail. com-
3ФГБО ВПО «Национальный исследовательский университет МИЭТ»,
Зеленоград, e-mail: vkn@nanotube. ru
Одним из наиболее перспективных путей построения сложных быстродействующих систем мониторинга и анализа информации в настоящее время является создание гибридных интегральных схем, сочетающих использование кремниевых технологий и материалов группы AIIIBV. Рассмотрен метод построения быстродействующих интегральных модулируемых источников излучения для оптической коммутации компонентов оптоэлектронных систем мониторинга параметров и состояния. 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. Представлены модель и методика моделирования быстродействующих интегральных лазеров-модуляторов для оптоэлектронных компонентов систем мониторинга и обработки информации. Обсуждаются результаты численного моделирования. Приведены рекомендации по проектированию сверхбыстродействующих интегральных систем оптической коммутации компонентов оптоэлектронных систем мониторинга.
Ключевые слова: наногетероструктура, инжекционный лазер, амплитудная модуляция, терагерцовый диапазон
FUNCTIONALY INTEGRATED HIGH-SPEED INJECTION LASER-MODULATOR FOR OPTOELECTRONIC COMPONENTS OF MONITORING SYSTEMS 1Denisenko M.A., uRyndin E.A., 3Levin D.D.
Southern Federal University, Taganrog, e-mail: kb@tti. sfedu. ru-
2Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences,
Rostov-on-Don, e-mail: rynenator@gmail. com-
3National Research University of Electronic Technology MIET, Zelenograd, e-mail: vkn@nanotube. ru
One of the most promising ways of constructing complex high-speed monitoring and information analysis systems is creating a hybrid integrated circuits that combine the use of silicon technology and AIIIBV materials. The method of construction of high-speed integrated light sources-modulators for optical commutation of optoelectronic monitoring systems components is presented. The principle of construction and structure of the functionally integrated injection laser and modulator based on a managed amplitude maximum of the charge carriers wave functions relocation, providing amplitude modulation of terahertz signals stimulated emission are suggested. The model and methodology for high-speed integrated laser-modulators for optoelectronic components of monitoring and processing simulation are submited. The results of numerical modeling of high-speed injection laser are discussed. The recommendations for the design of high-speed integrated optical switching systems components monitoring systems are requested.
Keywords: nanoheterostructures, injection laser, amplitude modulation, teraherz range
Оптоэлектроника как научно-техниче- на основе кремния, а системы оптической
ское направление предполагает развитие коммутации ядер формируются на основе
целого ряда базовых технологий и главным полупроводниковых соединений типа AIIIBV
образом технологии создания новых типов и функционально интегрируются с кремни-
высокоэффективных полупроводниковых евыми ядрами в едином технологическом
материалов и структур на их основе, вклю- процессе, что обеспечивает интеграцию
чая квантово-размерные структуры [5, 6]. оптоэлектронного интерфейса для соедини нений между компонентами УБИС. Кроме
Метод построения модулируемых J *
того, оптоэлектронные компоненты могут источников оптического излучения ' ^ г J
использоваться для получения, преобразо-
Одним из наиболее перспективных вания и передачи информации непосред-
путей построения сложных быстродей- ственно внутри систем.
ствующих систем мониторинга и анализа Инжекционные лазеры являются важ-информации в настоящее время является нейшими элементами интегральных оптосоздание гибридных УБИС: отдельные ядра электронных информационно-измерительна кристалле, содержащие схемы обработ- ных систем мониторинга. В данной работе
ки электронных сигналов, изготавливаются описывается структура функционально
интегрированного лазера-модулятора, обеспечивающего внутреннюю амплитудную модуляцию оптического излучения. Это устройство имеет ряд преимуществ, в частности, позволяет отказаться от использования модуляторов как отдельных устройств, кроме того, описываемые устройства значительно превосходят лазеры с модуляцией посредством управления плотностью тока накачки по быстродействию [2].
Учитывая масштабность современных исследований, направленных на создание различных по назначению систем терагер-цового диапазона (в том числе и интегральных систем оптической коммутации компонентов систем мониторинга и обработки информации), повышение максимальной частоты амплитудной модуляции излучения, генерируемого интегральными инжек-ционными лазерами, является актуальной проблемой.
В работах [7, 9, 11] 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 Л111Б?. 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 оптической коммутации компонентов систем мониторинга и обработки информации. Областью применения таких инжекционных лазеров являются интегральные системы оптической коммутации многоядерных УБИС, телекоммуникационные и вычислительные системы, средства связи, высокочувствительные системы медицинской диагностики, системы регистра-
ции и анализа быстропротекающих физических процессов и др.
Основными требованиями, предъявляемыми к модуляторам лазерного излучения интегральных систем оптической коммутации компонентов систем мониторинга, являются высокое быстродействие (соответствующее гигагерцовому, а в ближайшей перспективе -терагерцовому диапазону частот) и возможность изготовления в едином технологическом цикле с инжекционными лазерами и остальными компонентами систем мониторинга.
Модель
функционально-интегрированных лазеров- модуляторов
Традиционно динамику функционирования инжекционных лазеров описывают уравнениями кинетики, представляющими собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений. Эта модель не позволяет учесть влияние пространственного распределения концентраций подвижных носителей заряда и фотонов в активной области лазера на интенсивность генерируемого стимулированного излучения [1, 4].
Учет данного фактора может быть осуществлен в процессе численного решения фундаментальной системы уравнений (ФСУ) полупроводника в диффузионно-дрейфовом приближении, однако в этом случае не учитывается влияние фотонов лазерной моды на распределение концентраций подвижных носителей, скорость излучательной рекомбинации и, как следствие, на интенсивность генерируемого излучения [3].
Особенность структуры предложенного устройства состоит в том, что в отличие от традиционных инжекционных лазеров предусмотрены два дополнительных управляющих контакта, создающих в активной области лазера-модулятора поперечное управляющее поле.
Для решения задачи моделирования ин-жекционных лазеров-модуляторов в данной работе используется комплексная модель, учитывающая влияние пространственного распределения концентраций электронов, дырок и фотонов в активной области лазера на интенсивность генерируемого стимулированного излучения. Разработанная модель в векторной форме в базисе переменных {п, p, ф, У) для двух пространственных измерений может быть записана следующим образом:
E0div (e ¦ grad (ф)) = e (n-p-N) — (1)
- = -div (jn) + G-R- (2)
at e
(3)
(4)
(5)
(6)
др _ 1
ді е
— = -сИуир) + в-К-
# / о п п
~ = _ +Р- + а-л-/-
Си Ху
Л = ~е^пп ¦ ёГ& lt-*(1 (ф + ^) + (п) —
]р=-фрР-8Га (1(& amp--Гн)-еОрвгсиі(р) — М = МВ-МА,
где е0 — электрическая постоянная- е — диэлектрическая проницаемость полупроводника- ф — электростатический потенциал- е — электростатический потенциал- п — концентрация электронов- р — концентрация дырок- N — эффективная концентрация примесей- I — время протекания процессов в активной области лазера- ]п — электронная составляющая плотности тока- ] - дырочная составляющая плотности тока- & amp- - скорость генерации электронно-дырочных пар в активной области- Я — скорость рекомбинации электронно-дырочных пар в активной области- /- плотность фотонов в лазерной моде- Ту — время жизни фотона в резонаторе- т8 — время спонтанной излучательной рекомбинации- а — коэффициент оптического усиления- в — доля спонтанного излучения, попадающего в лазерную моду- цп — подвижность электронов- ц — подвижность дырок- V — гетероструктурный потенциал в области зоны проводимости- Ун — гетероструктурный потенциал в области валентной зоны- Бп — коэффициент диффузии электронов- Б — коэффициент диффузии дырок- ND — концентрация доноров- N — концентрация акцепторов.
Граничные условия на металлических контактах принимаются в соответствии с условиями Дирихле на свободных поверхностях гетероструктуры — Неймана.
Начальные условия определяются по результатам решения соответствующей стационарной задачи.
В виду того, что предложенная модель не учитывает квантовых эффектов в активной области структуры лазера-модулятора, была разработана методика численного моделирования, предполагающая на одном из этапов оценку быстродействия моделируемого элемента посредством численного решения нестационарного уравнения Шре-дингера. Основные этапы предложенной методики моделирования могут быть сформулированы следующим образом:
— на начальных этапах решается нестационарное уравнение Шредингера с целью оценки быстродействия системы с учетом квантовых эффектов. Для получения на-
(7)
чального условия выполняется самосогласованное решение стационарного уравнения Шредингера и уравнения Пуассона-
— для получения начального приближения к решению разработанной комплексной модели выполняется численное решение ФСУ полупроводника в диффузионно-дрейфовом приближении в базисе «потенциал, экспоненты квазиуровней Ферми для электронов и дырок» методом конечных разностей с использованием итерационной схемы Гуммеля в сочетании с методом продолжения решения по параметру (параметром является напряжение питания лазера) —
— с использованием полученного начального приближения выполняется численное решение разработанной комплексной модели с учетом пространственного распределения концентраций электронов, дырок и фотонов методом Ньютона-Рафсо-на в сочетании с методом продолжения решения по параметру (параметром является управляющее напряжение) —
— применение метода продолжения решения по параметру позволяет эффективно решить проблему начального приближения при моделировании режима высокого уровня инжекции, характерного для моделируемых лазеров-модуляторов, и повысить скорость сходимости вычислительного процесса [8, 10].
На основе предложенных моделей и методики моделирования разработаны программные средства численного моделирования функционально интегрированных лазеров-модуляторов. Отдельные результаты численного моделирования представлены на рис. 1−3.
В соответствии с полученными результатами численного решения уравнений разработанной модели управляемая поперечным электрическим полем передислокация максимумов плотности электронов и дырок в пространственно смещенных квантовых областях лазера-модулятора обеспечивает амплитудную модуляцию стимулированного излучения с коэффициентом, превышающим 0,9 при неизменном токе по цепи питания лазера.
Рис. 1. Распределение концентрации электронов и дырок по координатам в лазере-модуляторе в режиме лазерной генерации- а — распределение концентрации электронов по координатам- б — распределение концентрации дырок по координатам
Рис. 2. Распределение концентрации электронов и дырок по координатам в лазере-модуляторе в отсутствие лазерной генерации: а — распределение концентрации электронов по координатам- б — распределение концентрации дырок по координатам
Рис. 3. Распределения концентрации фотонов по координатам в лазере-модуляторе в режиме лазерной генерации: а — в режиме лазерной генерации- б — в отсутствие лазерной генерации
По результатам численного решения уравнения Шредингера показано, что время управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях составляет (0,09−0,13) пс в зависимости от ширины данных областей. Таким образом, максимальная частота амплитудной модуляции стимулированного излучения в рассматриваемых интегральных системах оптической коммутации может достигать единиц ТГц.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Гос. контракт № 16. 740. 11. 0425 от 03. 12. 2010, гос. соглашение № 14. А18. 21. 0126) в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009−2013 годы.
Список литературы
1. Абрамов И. И., Харитонов В. В., Шашкова А. Г. Численное моделирование элементов интегральных схем. -Минск: Выш. шк., 1990. — 224 с.
2. Алферов Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепция и применение в физике, электронике и технологии // Успехи физических наук. — 2002. — Т. 172, № 9. — С. 1068−1086.
3. Бондаренко Д. В. Моделирование динамического поведения инжекционного лазера при проектировании оптических систем связи // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 1999. — № 5−6. — С. 445.
4. Бубенников А. Н., Садовников А. Д. Физико-технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС. — М.: Радио и связь, 1991. — 288 с.
5. Ермаков О. Н. Прикладная оптоэлектроника. — М.: Техносфера, 2004. — 416 с.
6. Ковальчук М. В. Конвергенция наук и технологий -прорыв в будущее // Российские нанотехнологии. — 2011. -Т. 6, № 1−2. — С. 13−23.
7. Коноплев Б. Г., Рындин Е. А. Элементная база нанокомпьютеров на основе связанных квантовых областей // Вестник Южного научного центра РАН. — 2005. — Т. 1, № 3. — С. 22−28.
8. Рындин Е. А. Разработка и исследование быстродействующих интегральных наноструктур СБИС с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда. — Таганрог, 2007. -С. 374−386.
9. Рындин Е. А. Сверхбыстродействующие электронные коммутаторы на основе управляемой передислокации максимума волновой функции носителей заряда // Вестник Южного научного центра РАН. — 2006. — Т. 2, № 2. -С. 8−16.
10. Inoue K., Sakaki H., Yoshino J., Hotta T. Self-consistent calculation of electronic states in AlGaAs/GaAs/AlGaAs selectively doped double heterojunction systems under electric fields // J. Appl. Phys. — 1985. — Vol. 58, no. 11. — P. 4277−4281.
11. Konoplev B.G., Ryndin E.A. A Study of the Transport of Charge Carriers in Coupled Quantum Regions // Semiconductors. — 2008. — Vol. 42, № 13. — P. 1462−1468.
References
1. Abramov I.I., Haritonov V.V., Shashkova A.G. Chislen-noe modelirovanie elementov integralnyh shem // Minsk.: Vysh. shk., 1990. 224 р.
2. Alferov J.I. Dvoynye heterostruktury: kontseptsiya I primenenie v fizike, elektronike I tekhnologii. Uspekhi fizich-eskih nauk. 2002. T. 172, no. 9. рр. 1068−1086
3. Bondarenko D.V. Modelirovanie dinamicheskogo po-vedeniya inzhekcionnogo lazera pri proektirovanii opticheskih sistem svyazi // Tehnologija i konstruirovanie v elektronnoi' ap-parature. 1999. no. 5−6. pp. 44−45.
4. Bubennikov A.N., Sadovnikov A.D. Fiziko-tekhnolog-icheskoe proektirovanie bipolyarnyh elementov kremnievyh BIS // M.: Radio i svjaz', 1991. 288 p.
5. Ermakov O.N. Prikladnaya optoelektronika. Moscow: Technosphere, 2004. 416 p.
6. Kovalchuk M.V. Konvergenciya nauk i tehnologiy — proryv v buduschee. Rossiyskie nanotehnologii. 2011. T. 6, no. 1−2. pp. 13−23.
7. Konoplev B.G., Ryndin E.A. Elementnaya baza na-nokompyuterov na osnove svyazannyh kvantovyh oblastey. Vestnik Yuzhnogo nauchnogo tsentra RAN 2005. T. 1, no. 3. pp. 22−28.
8. Ryndin E.A. Razrabotka i issledovanie bystrodeistvuy-uschih integral’nyh nanostruktur SBIS s upravlyaemoi' pere-dislokaciei' maksimuma amplitudy volnovyh funkciy nositelei zaryada // Taganrog, 2007. pp. 374−386.
9. Ryndin E.A. Sverkhbystrodeystvuyuschie electronnye kommutatory na osnove upravlyaemoy peredislokatsii maksi-muma volnovoy funktsii nositeley zaryada. Vestnik Yuzhnogo nauchnogo tsentra RAN 2006. T. 2, no. 2. pp. 8−16.
10. Inoue K., Sakaki H., Yoshino J., Hotta T. Self-consistent calculation of electronic states in AlGaAs/GaAs/AlGaAs selectively doped double heterojunction systems under electric fields // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58, no. 11. pp. 4277−4281.
11. Konoplev B.G., Ryndin E.A. A Study of the Transport of Charge Carriers in Coupled Quantum Regions // Semiconductors. 2008. Vol. 42, no. 13. pp. 1462−1468.
Рецензенты:
Агеев О. А., д.т.н., профессор, директор НОЦ «Нанотехнологии" —
Жорник А. И., д.ф. -м.н., профессор кафедры теоретической, общей физики и технологии ФГБОУ ВПО ТГПИ.
Работа поступила в редакцию 26. 10. 2012.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой