Оптоэлектронные полупроводниковые структуры с микрорезонаторами и насыщающимися поглотителями

• Автор: Николаев, Валентин Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Сі.

1 Теоретические методы изучения структур с микрорезона-

^ торами и насыщающимися поглотителями

1.1 Микрорезонаторные структуры

1.2 Структуры с насыщающимися поглотителями

1.2.1 Насыщающиеся поглотители на квантовых ямах

с 1.2.2 Насыщающиеся поглотители на квантовых точках

ч"

'1 2 Взаимодействие экситонных и фотонных состояний пониженной размерности

2.1 Метод матриц переноса для цилиндрических и сферических

волн
2.1.1 Матрицы для цилиндрически-симметричных систем
2.1.2 Матрицы для сферически-симметричных систем
(г,
2.1.3 Амплитудные коэффициенты прохождения и пропускания
2.2 Цилиндрические и сферические брегговские отражатели
2.3 Модовая структура непланарных микрорезонаторов
I 2.4 Экситон-фотонное взаимодействие в цилиндрическом микрорезонаторе с квантовой проволокой
2.5 Взаимодействие нульмерных экситонных и фотонных состояний в сферических микрорезонаторах с квантовыми точками
2.6 Цилиндрические и сферические поляритоны
3 Насыщающиеся поглотители на квантовых ямах
3.1 Время выброса электронов из смещенных квантовых ям
3.1.1 Метод
3.1.2 Расчет и сравнение с экспериментом
3.2 Новый дизайн гетероструктуры для оптоэлектронных приборов с усиливающей и поглощающей секциями
3.3 Влияние сложного характера валентной зоны на время выброса дырок из квантовой ямы
3.3.1 Теория
3.3.2 Результаты расчета
3.4 Комплексный метод расчета времени восстановления поглощения насыщающегося поглотителя
3.4.1 Основные уравнения
3.4.2 Результаты моделирования
4 Анализ бистабильности лазеров на квантовых точках с насыщающимся поглотителем
4.1 Основные уравнения
4.2 Режим бистабильности
Заключение
Литература

Актуальность темы
Изобретение и реализация лазера на двойной гетероструктуре /1/ во многом определили дальнейшее развитие всей физики полупроводников. Концепция полупроводникового лазера сочетает в себе как фундаментальные принципы квантовой оптики и физики твердого тела, так и вопросы технологии оптоэлектронных приборов.
Одними из наиболее перспективных способов качественного улучшения параметров оптоэлектронных устройств являются два направления: это понижение “размерности” носителей в активной области и модификация фотонной структуры среды. Пространственное квантование носителей в активной области, т.е. переход от обьемного полупроводника к квантовым ямам, квантовым проводам или квантовым точкам приводит к понижению порогового тока и повышению температурной стабильности лазера /2/.
Второе направление - изменение плотности состояний фотонов в системе - может быть реализовано путем изготовления микрорезонаторов с пространственным ограничением световой волны в нескольких измерениях или введением локализованных состояний в запрещенную зону фотонных кристаллов /3/. Оптические моды в таких структурах можно трактовать как фотоны с пониженной размерностью. С точки зрения применения в лазерах, микрорезонаторы могут дать такие преимущества как одномодовый режим, сужение спектра генерации и стабильность частоты генерации.
велик, поведение ТЕ и ТМ мод хорошо описывается приближенными формулами (2.109,2.110) для цилиндрического и (2.111,2.112) для сферического случая соответственно. При уменьшении радиуса, качественное поведение зависимости сохраняется, но различие между точным расчетом и приближенными значениями собственных ТЕ и ТМ мод увеличивается.
На рисунке (2.8) показаны радиальные зависимости г-компонент электрического (для ТЕ поляризации) и магнитного (для ТМ-поляризации) поля собственных мод цилиндрического микрорезонатора с т = 0,1,2,3. В центральной полости профиль поля собственной моды описывается уравнениями (2.101,2.102). На границе цилиндрического брэгговского отражателя имеет место пучность электрического поля для собственных мод при любом т, а для магнитного поля имеет место обратная ситуация. В брэгговском отражателе поле быстро затухает -значительно быстрее, чем цилиндрические функции, и электромагнитное поле локализовано в центральной полости цилиндрического микрорезонатора. Из рисунка и уравнений (2.101,2.102) можно также видеть, что в центре микрорезонатора электрическое поле отлично от нуля только для одной собственной моды - ТЕ -поляризованной моды с т = 0.
Используя уравнения (2.103,2.104) можно показать, что в случае сферического микрорезонатора для всех ТЕ мод и ТМ мод с I > 1 электрическое поле в центре резонатора равно нулю. Для ТМ моды с I = 1, т = 0 электрическое поле в центре резонатора направлено вдоль оси л Е(г — 0) = Еоег. Для ТМ моды с I = 1, т = ±1 электрическое поле в центре резонатора вращается в плоскости ху Е (г = 0) = Е0 (ех ± іеу)
На рисунке (2.9) показано распределение электрического поля соб-