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

Научная библиотека Комментариев к записи Функционально-интегрированный быстродействующий инжекционный лазер-модулятор для оптоэлектронных компонентов систем мониторинга нет

Денисенко М.А., Рындин Е.А., Левин Д.Д. // Журнал Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11 (часть 3) – С. 593-597, УДК 621.373.826

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.

FUNCTIONALY INTEGRATED HIGH-SPEED INJECTION LASER-MODULATOR FOR OPTOELECTRONIC COMPONENTS OF MONITORING SYSTEMS

Abstract:
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.

Инжекционные лазеры являются важнейшими элементами интегральных оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга. В данной работе 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 терагерцового диапазона (в том числе и интегральных систем оптической коммутации компонентов систем мониторинга и обработки информации), повышение максимальной частоты амплитудной модуляции излучения, генерируемого интегральными инжекционными 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 AIIIBV. 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 регистрации 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 инжекционных 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.

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 Шредингера. 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 начального 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‒Рафсона 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.

Полное содержание статьи: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30579

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top