Схемотехническая модель инжекционных функционально-интегрированных лазеров-модуляторов

Зонные диаграммы и распределения концентраций электронов. Эквивалентная схема функционально-интегрированного лазера-модулятора. Разработка и характеристика схемотехнической модели инжекционного лазера-модулятора. Переходные процессы в лазере-модуляторе.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 28.10.2018
Размер файла 233,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схемотехническая модель инжекционных функционально-интегрированных лазеров-модуляторов

М.А. Денисенко

Предложена схемотехническая модель инжекционных лазеров с функционально интегрированными модуляторами оптического излучения, учитывающая особенности принципов их построения и структуры, а также влияние пространственных распределений электронов, дырок и фотонов в активной области лазеров-модуляторов на динамику протекающих в них физических процессов. электрон лазер модулятор инжекционный

Проблема межсоединений в электронной аппаратуре является одной из основных проблем электроники. Металлические соединения в ряде случаев перестают соответствовать растущим требованиям к качеству передачи информации, быстродействию и помехозащищенности электронной техники. Эта проблема является актуальной для всех уровней конструктивной иерархии электронных средств, в том числе и для межэлементных соединений в интегральных схемах (ИС). Одним из перспективных методов решения данной проблемы в микроэлектронике является использование интегральных систем оптической коммутации и соответствующих оптоэлектронных элементов, важнейшими из которых являются интегральные инжекционные лазеры и модуляторы оптического излучения.

В работах [1 - 5] описываются быстродействующие лазеры-модуляторы, объединяющие за счет функциональной интеграции в единой наногетероструктуре инжекционный лазер и модулятор оптического излучения, причем, в зависимости от структуры активной области, возможна реализация амплитудной [1] или частотной [2, 3] модуляции. Разработка и исследование данных функционально интегрированных лазеров-модуляторов требует разработки новых моделей, причем как физико-топологических в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных, так и более компактных схемотехнических, позволяющих значительно сократить затраты времени и вычислительные ресурсы, необходимые для получения результатов моделирования. Реализация таких компактных моделей может осуществляться с использованием имеющихся на рынке программных средств (например, SPICE).

Предлагаемый доклад посвящен разработке схемотехнической модели инжекционных функционально интегрированных лазеров-модуляторов с амплитудной модуляцией оптического излучения.

Разработка схемотехнической модели инжекционного функционально-интегрированного лазера-модулятора

Инжекционный лазер-модулятор представляет собой полупроводниковую наногетероструктуру, в которой функционально интегрированы высоколегированные р+ и n+-области с соответствующими омическими (питающими) контактами и области модулятора с дополнительными (управляющими) контактами и управляющими переходами (переходом Шоттки и р-n-переходом) в виде сконфигурированной определенным образом системы квантовых ям [1, 4, 5]. В соответствии с зонными диаграммами, схематически представленными на рис. 1, в гетероструктуре активной области лазера-модулятора сформированы две пространственно смещенные, но равные по ширине потенциальные ямы: первая - в зоне проводимости и вторая - в валентной зоне. Ширина каждой равна W + WCV, где W - область пересечения, а WCV - область смещения.

В цепи питания лазера задается определенный ток накачки, обеспечивающий, по истечение переходного процесса, инверсную заселенность и неизменное во времени суммарное число электронов и дырок в потенциальных ямах активной области. Амплитудная модуляция лазерного излучения осуществляется посредством изменения направления поперечного управляющего поля (рис. 1): при одном направлении управляющего поля наблюдается передислокация и пространственное совмещение максимумов плотности электронов и дырок в потенциальных ямах зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к увеличению интенсивности лазерного излучения, а при противоположном направлении управляющего поля - обратная передислокация и, соответственно, пространственное разделение максимумов плотности электронов и дырок в потенциальных ямах, приводящее к уменьшению интенсивности генерируемого оптического излучения.

Рис. 1. Зонные диаграммы и распределения концентраций электронов

(n(x) - сплошные линии) и дырок (p(x) - пунктирные линии) в инжекционных лазерах-модуляторах при противоположных направлениях управляющего поля [6]

При неизменном уровне инжекции электронов и дырок в активную область лазера, суммарное число носителей заряда в квантовых ямах при изменении направления управляющего поля остается практически неизменным, в результате чего максимальная частота модуляции лазерного луча определяется не относительно инерционными процессами накопления и рассасывания носителей заряда, а временем управляемой поперечным полем передислокации максимумов плотности электронов и дырок в пространственно смещенных потенциальных ямах активной области [1, 4].

С учетом перечисленных выше особенностей, повышение эффективности методов проектирования рассматриваемых функционально интегрированных лазеров-модуляторов [6] связано с необходимостью разработки новых моделей, причем как физико-топологических в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных [7, 8], так и более компактных схемотехнических, реализация которых может осуществляться с использованием имеющихся на рынке программных средств (например, SPICE).

Для моделирования используется эквивалентная электрическая принципиальная схема, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема функционально-интегрированного лазера-модулятора

В данной эквивалентной схеме источники тока G и GCV определяют доли тока накачки, емкости C и CCV - процессы накопления зарядов, сопротивления R и RCV - скорости процессов спонтанной излучательной рекомбинации зарядов приходящиеся на области W и WCV гетероструктуры активной области лазера-модулятора соответственно. Управляемый напряжением источник тока GST отражает скорость процесса стимулированной излучательной рекомбинации и, соответственно, стимулированной генерации фотонов в области W. Элементы Copt и Ropt определяются временем жизни фотонов в резонаторе лазера-модулятора. Управляемый напряжением источник тока Gn отражает скорость процесса спонтанной генерации фотонов в области W. Управляемый напряжением источник тока GR и сопротивление RR отражают дрейфовую и диффузионную составляющие тока поперечной передислокации носителей заряда в активной области гетеро-структуры соответственно лазера-модулятора. Элементы VG, RG отражают токи утечки управляющей цепи: источник э.д.с. VG определяется управляющей разностью потенциалов, а сопротивление RG - сопротивлением утечки управляющей цепи.

Результаты моделирования инжекционного лазера с функционально интегрированным амплитудным модулятором оптического излучения, полученные с использованием разработанной схемотехнической модели, представлены на рис. 3.

а б

в г

Рис. 3. Переходные процессы в лазере-модуляторе при модуляции импульсом управляющего напряжения (а): концентрации носителей заряда в областях пространственного пересечения n и пространственного смещения nCV (б); мощность оптического излучения (в); коэффициент оптического усиления (г) электрон лазер модулятор инжекционный

Важным достоинством лазера модулятора является возможность его изготовления в едином технологическом цикле вместе со всеми элементами СВЧ оптоэлектронной системы на основе стандартных операций производства гетероструктур на основе материалов AIIIBV.

Заключение

При выполнении данного исследования разработана схемотехническая модель инжекционного лазера-модулятора, представляющего собой полу-проводниковую наногетероструктуру, в которой функционально интегрированы высоколегированные р+ и n+-области с соответствующими омическими (питающими) контактами и области модуля-тора с дополнительными (управляющими) контактами и управляющими переходами (переходом Шоттки и р-n-переходом) в виде сконфигурированной определенным образом системы квантовых ям [1, 2]. Получены результаты моделирования переходных процессов в лазере-модуляторе для амплитудной модуляции оптического излучения.

Литература

1. Коноплев Б.Г. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. - Вестн. Южного науч. центра РАН. 2010. Т. 6. № 3. С. 5-11.

2. Ryndin E.A. A Functionally Integrated Injection Laser-Modulator with the Radiation Frequency Modulation // Ryndin E.A., Denisenko M.A. - Russian Microelectronics. 2013. V. 42. № 6. P. 360-362.

3. Konoplev B.G. Injection Laser with a Functionally Integrated Frequency Modulator Based on Spatially Shifted Quantum Wells // Konoplev B.G., Ryndin E.A., Denisenko M.A. - Technical Physics Letters. 2013. V. 39. № 11. P. 986-989.

4. Коноплев Б.Г. Элементы интегральных схем СВЧ на основе комплементарных связанных квантовых областей // Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. - Микроэлектроника. 2015. Т. 44. № 3. С. 220-227.

5. Коноплев Б.Г. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. - Патент РФ 2400000. 2010.

6. Рындин Е.А. Метод проектирования функционально-интегрированных лазеров-модуляторов // Рындин Е.А., Денисенко М.А. - Инженерный вестник Дона. 2013. № 3. С. 1 - 6.

7. Konoplev B.G. A Study of the Transport of Charge Carriers in Coupled Quantum Regions // Konoplev B.G., Ryndin E.A. - Semiconductors, 2008. Vol. 42. № 13. P. 1462 - 1468.

8. Рындин Е.А., Модель функционально-интегрированных инжекционных лазеров-модуляторов для интегральных систем оптической коммутации // Рындин Е.А., Денисенко М.А. - Известия вузов. Электроника. - 2012. - №6 (98). - С. 26 - 35.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Конструкция полупроводникового лазера на твердом теле. Достоинства полупроводникового лазера. Применение твердотельных лазеров для резания швейных материалов и двухъярусных цепных горизонтально-замкнутых конвейеров для хранения готовых изделий на складах.

    контрольная работа [3,7 M], добавлен 17.11.2010

  • Построение структурной модели автотранспортного цеха Пермского порохового завода. Расчет затрат на создание и функционирование объекта. Построение функционально-структурной модели и диаграммы. Составление проекта плана-графика внедрения рекомендаций.

    дипломная работа [3,6 M], добавлен 13.11.2013

  • Достижения науки и техники XX века. Предсказание Эйнштейном в 1916 г. существования вынужденного излучения - физического базиса действия любого лазера. Широкое применение лазера во всех отраслях науки и техники. Развитие лазерной техники в России.

    реферат [21,3 K], добавлен 08.03.2011

  • Свойства лазерного луча: направленность, монохроматичность и когерентность. Технология лазерной резки металла. Применение вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла. Типы лазеров. Схема твердотельного лазера. Резка алюминия и сплавов.

    лабораторная работа [2,1 M], добавлен 12.06.2013

  • Характеристика особенностей применения лазера в медицине. Лазерные радары. Различные проблемы, возникающие при использовании лазеров для измерений расстояний. Поверхностная лазерная обработка. Лазерное оружие. Лазеры в связи и информационных технологиях.

    реферат [118,4 K], добавлен 12.05.2013

  • Основные параметры режимов сварки. Стыковая лазерная сварка. Компьютерное моделирование процесса лазерной сварки. Выбор устройства охлаждения для лазера. Подбор охлаждения для головы лазера. Выбор технологической оснастки. Система подачи защитного газа.

    курсовая работа [696,0 K], добавлен 29.05.2015

  • История создания лазера и его виды: гелий-неоновый, аргоновый, криптоновый, ксеноновый, азотный, на фтористом водороде, химический, углекислотный, на монооксиде углерода, эксимерный. Применение лазеров в машиностроении. Нанесение лазерной графики.

    реферат [36,5 K], добавлен 22.06.2015

  • Общие сведения и применение лазеров. Биография первооткрывателя лазера в СССР Александра Михайловича Прохорова. Режимы лазерной резки металлов. Механизмы газолазерной резки. Технология лазерной резки, ее достоинства и недостатки. Кислородная резка стали.

    презентация [1,1 M], добавлен 14.03.2011

  • Промышленный технологический быстропроточный лазер ТЛ-5М. Расчет приведенной напряженности электрического поля в рабочей камере лазера. Определение кинетических параметров плазмы. Расчет уточненного значения приведенной напряженности электрического поля.

    курсовая работа [310,9 K], добавлен 14.12.2012

  • Свойства белков мышечной ткани свинины. Влияние экзогенного кальция на ее деструкцию. Разработка многофункциональных смесей на основе лактата и хлорида кальция, регулирующих функционально-технологические свойства мяса и содержание амино-аммиачного азота.

    дипломная работа [1,3 M], добавлен 23.05.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.