Схемотехническая модель инжекционных функционально-интегрированных лазеров-модуляторов

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