ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В. Н. Каразіна

Сухоiванов Iгор Олександрович

УДК 621373.826:53537

ДИНАМІЧНІ ПРОЦЕСИ В НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ЛАЗЕРАХ ВИСОКОШВИДКІСНИХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ СИСТЕМ

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків - 2001

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор техн. наук, заслужений діяч науки, професор О. І. Терещенко, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри фізичних основ електронної техніки.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Милославський Володимир Костянтинович, Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, завідувач кафедри фізичної оптики;

доктор фізико-математичних наук, професор Коротков Павло Андрійович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, професор кафедри медичної радіофізики;

доктор технічних наук, професор Соловйов Валентин Сергійович, ДНВО "Метрологія", начальник Українського метрологічного центру державної служби єдиного часу та еталонних частот.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників НАН України, відділ теоретичної фізики, м. Киів.

Захист відбудеться " 1" березня 2002 року о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ім. К. Д. Синельникова).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна (61077. м. Харків, пл. Свободи, 4).

Автореферат розісланий " 22 " січня 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В. П. Пойда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасна цивілізація прямує до інформаційного суспільства. Шляхи цього руху відбивають як прогрес фундаментальної науки і технології, так і конкуренцію, які збігаються в інформаційних і аудіовізуальних галузях промисловості. Загальний критерій розвитку – зростання потоку даних, який викликає потребу у збільшенні швидкості передавання (смуги) при більш низькій вартості послуг зв’язку. Цього, перш за все, можна досягнути тільки з використанням волоконних світловодів (ВС) і напівпровідникових лазерів.

Головною проблемою розвитку волоконного зв’язку є передавання максимального об’єму інформації на максимально можливу відстань і забезпечення доступу до неї якомога більшого числа користувачів. Це пояснює стійку тенденцію до постійного зростання швидкості передачі, що потребує покращення параметрів та удосконалення елементної бази, що використається. На перший план, як найбільш перспективні, у останні десять років вийшли волоконно-оптичні системи на базі активних елементів на напівпровідникових структурах із квантовим обмеженням. Однак це не означає, що системи перших поколінь стали менш актуальні. Тому важливо ефективно і максимально використовувати вже існуючі волоконно-оптичні мережі.

Існуюча елементна база має достатньо високі значення граничних параметрів, що дозволяє створювати високоефективні системи. Проте швидке зростання потоків інформації і кількості користувачів потребує подальшого розширення широкосмуговості, збільшення швидкодії, розробки нових принципів побудови телекомунікаційних систем. Вже зараз швидкість передавання об'єму інформації 10 Гбіт/с стає стандартом. Чисельні оцінки доводять, що і системи на базі спектрального мультиплексування, і радіо-волоконні системи потребують нового покоління швидкодіючих лазерних випромінювачів, які повинні забезпечити генерацію імпульсів пікосекундної тривалості із швидкістю більше 40 Гбіт/с.

Повноцінне керування процесом створення широкого класу приладів і систем, у тому числі волоконно-оптичних систем (ВОС) з використанням у них напівпровідникових лазерів з квантовим обмеженням, потребує нових методів і інструментів для моделювання, які ґрунтуються на доброму розумінні фізичних процесів і точних знаннях про вихідні параметри.

У галузі пасивних оптоволоконних систем розвинуті теоретичні і практичні методи, які дозволяють забезпечити мінімальний рівень втрат і дисперсії у волоконних світловодах. Деякі з напрямків, такі, як, наприклад, теорія поля у планарних і волоконних світловодах, теорія зв'язаних мод у одно- і багатомодових світловодах, вже розвинуті науковцями. У той же час напрямок, пов'язаний із дослідженням дифузійної міжмодової взаємодії оптичного випромінювання у нестаціонарному режимі, що характерний для локальних систем, продовжує інтенсивно розвиватися. Розуміння фізики міжмодової взаємодії і врахування цих ефектів у практичних розробках дуже важливі для формування комплексних методів проектування оптоволоконних систем і їх елементів.

Найважливішими елементами оптоелектроніки є напівпровідникові лазери. Їх потреба для сучасної науки і техніки майбутнього зокрема підтверджена присудженням у 2000 році Нобелівської премії з фізики Ж. І. Алферову та Х. Кремеру за внесок у створення і розвиток напівпровідникових лазерів і їх застосування у високошвидкісних електронних і оптоелектронних системах. У фізиці лазерів вже сформувалась нова галузь напівпровідникових лазерних гетероструктур з квантовим обмеженням, яка забезпечила прорив у багатьох напрямках оптоелектроніки, у тому числі і у оптоелектронних системах передачі даних.

Квантоворозмірні (КР) технології з використанням багаточисельних шарів товщиною, порівняною з довжиною хвилі де Бройля, дозволяють виготовити лазери із надзвичайно широкою смугою модуляції. До піонерських праць у цій галузі, які заклали її фундаментальні основи, слід віднести дослідження, виконані науковими колективами під керівництвом таких вчених: Н. Г. Басова, Б. М. Вула, Ю. М. Попова, Д. А. Наслєдова, Ж. И. Алферова, Л. А. Рівліна, С. В. Свешникова, М.С. Бородіна, А. Т. Семенова, Х. Кремера, M. Паниша, И. Хаяси, Р. Холла, А. Ярива, С. Х. Генрі та інш. Суттєвий внесок у розвиток фізики напівпровідників і квантоворозмірних структур вноситься українськими вченими. Інтенсивні дослідження зараз проводяться у Інституті фізики напівпровідників НАН України, Інституті фізики НАН України, та інших установах.

Для забезпечення потреб локальних систем персонального доступу задовільними можна вважати гетеролазери з масивним активним шаром. Застосуванням зарощених структур і багатокомпонентних конструкцій можна досягти швидкості передачі до декількох Гбіт/с. При швидкості, більшій 10 Гбіт/с, відбувається обмеження довжини лінії через взаємозв'язок між дисперсією волоконного світловода і лазерного джерела, яка є паразитною модуляцією частоти лазера. Це вказує на те, що і досі є актуальною проблема підвищення швидкості напівпровідникових лазерів і широкосмуговості оптоволоконних систем. Підвищення швидкості модуляції лазерів можна досягти завдяки удосконаленню технології лазерних структур, що потребує встановлення точного зв'язку між вірогідно вимірюваними практичними значеннями параметрів, параметрами теоретичних моделей і конструктивною будовою лазера.

Особливо актуальною є проблема адекватного подання динамічних процесів при моделюванні у режимі імпульсної модуляцій при швидких змінах рівня струму накачування. Цей режим названо режимом великого сигналу. Традиційний малосигнальный аналіз, заснований на уявленні про малу зміну струму накачування, не цілком коректно відбиває експериментальні характеристики, що спостерігаються в режимі великого сигналу. Це обумовлює існування протиріччя, що ускладнює процес удосконалення конструкцій КРС лазерів.

Слід зазначити, що сучасні розробки нових лазерів на квантоворозмірних структурах (КРС-лазерів) і підсилювачів орієнтуються на застосування структур із багатошаровою активною зоною, яка містить від 4-6 до 8-20 квантоворозмірних шарів, що неоднорідні за своєю товщиною. Тому такі лазерні структури стають об’єктом досліджень, які потребують детального аналізу процесів взаємодії і рекомбінації, а також ефектів, які їх супроводжують у складних напівпровідникових сполуках. Крім того, при динамічному описуванні квантоворозмірного лазера ключовими і найбільш критичними параметрами є оптичне підсилення, диференційне підсилення, коефіцієнт нелінійного підсилення, опис якого в умовах великого сигналу потребує подальших досліджень.

Отже, для проектування реальних ВОС, поліпшення високошвидкісних характеристик елементної бази потрібен адекватний опис динамічних процесів у таких системах. Однак специфіка динамічної поведінки сучасних напівпровідникових лазерів показує, що досягнути цієї мети для гетеролазерів з масивною й особливо з квантоворозмірною активною областю з застосуванням суворих методів квантової теорії і теорії твердого тіла в даний час не можливо через їх надмірну математичну й обчислювальну складність. Для розв'язування цього протиріччя варто шукати більш прості методи, забезпечуючи максимально повне наближення до суворої теорії.

Перш за все, перед дослідниками виникає потреба адекватного теоретичного опису фізичних процесів у волоконних світловодах і напівпровідникових лазерах на гетероструктурах із масивним і квантоворозмірним активним шаром, у тому числі такого, що пояснює фізичні явища перенесення носіїв заряду у напівпровідниковій структурі при різних режимах роботи лазера і їх взаємодії між собою і з полем випромінювання. Це дозволить точніше пояснити причини обмеження широкосмуговості і надати практичні рекомендації з удосконалення технології і конструкцій гетеролазерів. Одночасно існує необхідність обґрунтувати використання математичного апарату, який вірно відбиває експериментальні дані для опису і аналізу змін параметрів лазерного випромінювання при поширенні через волоконно-оптичний канал у режимі великого сигналу. Крім того, доцільно забезпечити сумісність методів аналізу для різноманітних типів конструкцій гетеролазерів і створити універсальні і задовільні засоби їх моделювання.

Таким чином, у лазерній фізиці існує потреба у адекватному теоретичному описі фізичних процесів і динамічних характеристик, що спостерігаються у пасивних і активних елементах високошвидкісних волоконно-оптичних систем.

Якісний аналіз фізичної суті процесів та результатів попередніх теоретичних та експериментальних досліджень і практичних розробок показує, що перспективним для розв’язку наведеної сукупності задач, а також розвитку теорії і технології активних і пасивних елементів сучасної оптоелектроніки і лазерної фізики є застосування методів моделювання динамічних процесів з урахуванням нелінійних і дифузійних ефектів.

Вирішення проблеми вимагає проведення комплексного теоретичного і експериментального дослідження процесів перенесення носіїв заряду, генерації фотонів у багатошарових об’ємних і квантоворозмірних напівпровідникових структурах, поширення оптичного сигналу через оптичні волокна і формування нових принципів побудови ефективних джерел оптичного випромінювання для ВОС. Результати цих досліджень можуть знайти застосування у розвитку розробок напівпровідникових лазерів і широкосмугових оптоволоконних систем глобального і персонального доступу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано на кафедрі фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ). Вона за своєю тематикою відповідає паспорту спеціальності 01.04.05 – оптика, фізика лазерів. Основні результати були отримані у ході виконання госпдоговірних НДР “Розробка і дослідження внутріоб’єктової ВОЛЗ” (1987-1989 № ДР 01870081091), “Розробка волоконно-оптичних засобів передавання інформації НВЧ – діапазону” (1990-1992 № ДР 01890085105), та держбюджетних НДР “Дослідження методів передачі сигналів НВЧ за допомогою волоконно-оптичних мереж” (1995-1997 № ДР 0195U023067), “Розробка напівпровідникових приладів на базі квантоворозмірних структур для високо інтегрованих оптоелектронних давачів” (1997-1999 № ГР 0197U014160), “Дослідження методів побудови оптоелектронних засобів на базі лазерів для дистанційно-роз’єднаних високоінтегрованих інформаційно-вимірювальних систем” (2000-2001 № ДР 0100U003477), а також ініціативних НДР, які проводяться на кафедрі Фізичних основ електронної техніки ХНУРЕ. Крім того, деякі результати з моделювання КРС-лазерів одержано у рамках міжнародного співробітництва ХНУРЕ з університетами Карлсруе (Німеччина), Монпельє (Франція), Гента (Бельгія) і наукових проектів Euro COST 240, 268.

Мета і задачі досліджень. Мета дисертації полягає у тому, щоб у результаті теоретичного дослідження особливостей генерації оптичного випромінювання у напівпровідникових лазерах, а також вивчення взаємодії оптичного випромінювання з матеріалами, з яких виготовлено їх активні і пасивні елементи, адекватно теоретично описати динамічні процеси, спостережені експериментально у високошвидкісних волоконно-оптичних системах.

Для досягнення цієї мети необхідно було розв’язати такі основні задачі:

- визначити основні закономірності і фактори, які пов’язані з обмеженням широкосмуговості активних і пасивних компонентів ВОС;

- розвинути методи аналізу дисперсійних властивостей пасивних каналів і динамічних властивостей активних напівпровідникових елементів (гетеролазерів на КРС) і опису дії пасивного каналу на амплітудно-частотні властивості лазерного випромінювання;

- розвинути теорію перенесення і захоплення носіїв заряду у активній зоні квантово-розмірного лазера;

- обґрунтувати принципи і створити основу теоретичного опису режиму великого сигналу у високошвидкісних ВОС;

- узагальнити методи опису підсилення у КРС-лазерах і формування уточненої моделі підсилення великого сигналу;

- розвинути теорію великого сигналу і розробити нову динамічну модель для її застосування при аналізі високошвидкісних КРС-лазерів і пасивного каналу у аналоговому і імпульсному режимах модуляції;

- сформулювати моделі і алгоритми для опису напівпровідникових лазерів із складною конфігурацією ;

- розробити на їх базі програмні засоби моделювання і дослідження напівпровідникових лазерів і з їх допомогою сформулювати рішення, які спрямовані на покращення динамічних властивостей елементів ВОС.

Об’єкт досліджень – напівпровідникові інжекційні гетеролазери із масивними і квантоворозмірними активними шарами і оптоволоконні пасивні канали передавання оптичного сигналу.

Предмет досліджень – динамічні процеси перенесення носіїв заряду і їх взаємодія з оптичним полем у активній ділянці напівпровідникового лазера при високошвидкісній модуляції і впливові властивостей пасивного каналу на динамічні характеристики ВОС.

Методи досліджень – у роботі було використано відомі методи теоретичної фізики. При вирішенні задач про вплив мод оболонки на модові і дисперсійні характеристики пасивного каналу використана теорія зв’язаних мод. При досліджені перенесення у КРС-лазерах використані рівняння Шредінгера, Пуассона, рівняння непевності. Для дослідження лінійного і нелінійного підсилення застосовано методи матриці щільності. Аналіз динамічних характеристик гетеролазерів і амплітудно-фазового зв’язку у пасивних і активних елементах виконано на підставі методів еквівалентних схем, наближення швидкісних рівнянь, рівнянь теплопровідності, рівняння Гельмгольця і метода променевого поширення.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано загальний метод аналізу динамічних процесів генерації і поширення оптичного випромінювання у режимі великого сигналу, що заснований на новому уявлені про перенесення носіїв заряду у активній ділянці напівпровідникового гетеролазера і зміні характеру і тривалості процесів накопичення і захоплення носіїв у ділянці квантової ями, а також такий метод, що запроваджує нелінійні ефекти підсилення і амплітудно-фазового зв’язку.

2. Вперше сформульовано і обґрунтовано чисельну динамічну дифузійну модель КРС-лазера у вигляді неоднорідної системи диференційних рівнянь, яка придатна для аналізу КРС-лазерів у режимі малого і великого сигналів, і запроваджено нові засоби для аналізу цієї моделі шляхом побудови системи нормованих рівнянь, а також на її підставі розвинуто модель амплітудно-фазового зв’язку у режимі великого сигналу.

3. Вперше доведено, що при переході струму накачування у КР-структурі через його порогове значення час накопичення заряду зменшується у порівнянні з амбіполярним часом життя, що дозволило сформулювати принцип зміни часу накопичення заряду у режимі великого сигналу.

4. Розвинуто метод аналізу дисперсійних властивостей волоконних світловодів в умовах неусталеного модового режиму і опису ефектів амплітудно-фазового зв’язку в умовах режиму великого сигналу, що дозволило знайти рішення щодо зниження дисперсії пасивного каналу.

5. На підставах малосигнального аналізу динамічної поведінки напівпровідникових гетеролазерів вперше виконано оцінки впливу температури, рівня потужності накачування і глибини модуляції на вихідні характеристики. Доведена можливість розширення широкосмуговості локальних ВОС на основі двокомпонентних гетеролазерів при аналоговому малосигнальному режимі модуляції.

6. Запропоновано нові загальні методи опису підсилення у квантоворозмірних структурах з урахуванням рівня накачування, що викликані легуванням несиметричних напруженостей і нелінійних ефектів насичення підсилення, що дозволило обґрунтувати спосіб збільшення диференціального підсилення у більше, ніж 6 разів.

7. Вперше показано, що якщо у стаціонарному стані коефіцієнт насичення підсилення прямує до постійної величини, що відповідає моделі насичення, яка традиційно застосовується і яка побудована на аналізі спектрального випалювання дірок і нагрівання носіїв, то у режимі великого сигналу коефіцієнт насичення залежить від інтенсивності накачування. Вперше отримано аналітичний вираз для коефіцієнта насичення підсилення.

8. Вперше сформульована динамічна дифузійна модель КРС-лазера поверхневого випромінювання з вертикальним резонатором з урахуванням неоднорідного розподілу носіїв заряду і температури. Одержані дані про розподіл щільності носіїв і температури у структурі лазера з оксидним вікном, які дозволили розв’язати задачу визначення форми оксидного вікна з урахуванням впливу діапазону перенесення носіїв заряду.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновані методи аналізу дали нові результати, які найбільш точно відображають експериментальні характеристики лазерів, отримані рекомендації з проектування ліній локального доступу і запропоновані шляхи покращення модуляційних властивостей гетеролазерів і широкосмуговості локальних ВОС.

2. Розроблені і впроваджені алгоритми і програми розрахунку основних фізичних параметрів і характеристик з об’ємною одно- і мульти-квантоворозмірною структурами волоконно-оптичних каналів. Запропоновані нові ефективні алгоритми для аналізу складної структури пристроїв, які можуть бути використаними при розробці нових поколінь напівпровідникових лазерів.

3. На підставі розроблених методів опису фізичних процесів і відповідних програм одержані практичні рекомендації щодо виробу конструкцій лазерів з торцьовим випромінюванням і вертикальним резонатором, зокрема визначено співвідношення протяжності секцій двокомпонентного гетеролазера з підвищенню смугою модуляції, запропонована нова конфігурація оксидного вікна для КРС-лазера поверхневого випромінювання і надані рекомендації для вибирання розмірів оксидного вікна у лазері з вертикальним каналом.

4. Розроблено програмне забезпечення для проектування ключових елементів ВОС. Пакети програм LasDyn2.0 та LaserCADє єдиними спеціалізованими програмними продуктами у галузі напівпровідникових лазерів і можуть бути представленими на ринкові продуктів програмного забезпечення.

5. На основі нових уявлень про особливості динамічної поведінки високошвидкісних ВОС розроблені нові методи опису і алгоритми аналізу напівпровідникових лазерів з об’ємною і квантоворозмірною активною ділянкою різної конфігурації, які можуть бути використані для вирішення широкого кола проблем оптоелектроніки і лазерної фізики. Результати роботи використані при підготовці навчальних планів і програм нової спеціальності “Лазери і оптоелектронна техніка” у ХНУРЕ, при читанні нових курсів лекцій “Основи волоконної і інтегральної оптики”, “Напівпровідникові лазери”, “Квантоворозмірні структури”, “Волоконно-оптичні системи”, “Сучасні напрямки у квантовій електроніці”.

Частина результатів використані і впроваджені при розробці нових виробів волоконної і оптоелектронної техніки під час виконання госпдоговірних і держбюджетних НДР на підприємствах НДІТП і НВО Полюс (м. Москва), НТЦ Кабельних ліній зв’язку (м. Київ).

Достовірність результатів, отриманих в дисертації, забезпечується глибиною аналізу проблем, застосуванням строгих квантово-механічних методів і зонної теорії напівпровідників і методів напівкласичної теорії лазерів, а також адекватних граничних умов та відповідних методів рішення; експериментальної перевірки основних теоретичних результатів, що були отримані для різних типів елементів, що дослідуються, тестуванням програмних продуктів і порівнянням з експериментальними і теоретичними результатами інших авторів, в тому числі у рамках сумісних робіт з європейськими партнерами.

Особистий вклад дисертанта. Усі головні результати дисертації одержані особисто автором. У роботах, що були опубліковані із співавторами, автору належить постановка задач, розробка фізичних і математичних моделей і методів рішень. Розробка алгоритмів і проведення чисельних розрахунків, а також обговорення результатів виконано спільно. Сім друкованих праць опубліковано без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на міжнародних, всеукраїнських і галузевих конференціях і семінарах, у тому числі: на Всесоюзній науково-технічній конференції “Швидкодіючі елементи ВОС” (Севастополь, 1990); на конференції “НВЧ - техніка і супутникове приймання” (Севастополь, 1994); науковому семінарі “Інформаційні технології і проектування програмного забезпечення” (Харків, 1995); Всеукраїнській і міжнародних конференціях “Теорія і техніка передавання, прийому і обробки інформації” (Харків-Туапсе, 1996, 1997, 1998, 2000); на 4-му Українсько-Китайському симпозіумі з космічної науки і техніки, КНТ-4 (Київ, 1996); на 6-й Кримській конференції “НВЧ - техніка і телекомунікаційні технології” (Севастополь, 1996); конференції “Радіо і волоконно-оптичний зв’язок, локація, навігація” (Воронеж, 1997); на міжнародних конференціях “Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, ММЕТ” (Харків 1994, 1998, 2000, Львів, 1996); на конференціях "4-Tagung Elektronik-Technologie HU- Berlin", (Берлин, 1990); "Microwaves Optronics, MIOP" (Sindelfingen, Germany, 1995, 1997); 5-th Intern. symposium on Resent Advances in Microwave Thechnology (Kiev, ); на семінарі "Optische Nachrichtentechnik" (Karlsruhe, Germany, 1995); на семинарі Європроекту COST240 (Stokholm,1997); на 9-th Conf. on Materials&Technol CIMTEC'98, (Florence, Italy, 1998); на семінарі "International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling" (Hagen, Germany, 1998, St.Ettienne, France, 1999, Padeborn, 2001); на конференціях "Intern. Topic Meeting of Microwave Photonics" (Princeton, USA,1998); "Photonics'98" (NewDeli, Indien, 1998); "Intern. Conf. on Transparent Optical Networks, ICTON (Kielze,1999 и Gdansk, 2000, Poland); "Photonics-Prague'99", (Прага, 1999); міжнародному семінарі IEEE/LEOS "Int. Workshop on Laser and Fibre-Optical Networks Modeling, LFNM" (Харків 1999, 2000, 2001); на семінарах "European Semiconductor workshop", (Paris, 1999 , Berlin 2000); конференціях "Fotonics ODS2000" (Вінниця, 2000), "Conf. on Laser and Electro Optics, CLEO/Europe2000" (Nice, France, 2000), "III Международная научно-техническая конференция по квантовой электронике" (Мінськ, 2000), "Microcavity light sources" (Padeborn, 2001), "Intern. Conf. on Mid-Infrared Optoelectronics Materials and Devices, MIOMD" (Montpellier, 2001).

Роботу було розглянуто на НТС ХНУРЕ; у профільній раді "Приладобудування" Міністерства освіти і науки України, секція "Електронне приладобудування і технології"; розширених семінарах кафедри "Фізичних основ електронної техніки" ХНУРЕ.

Публікації. основні результати дисертації опубліковано у 26 статтях, у т.ч. 7 без співавторів, у фахових наукових виданнях, у зарубіжних журналах і збірниках, які рецензуються, 37 - у публікаціях міжнародних і всеукраїнських наукових конференцій і семінарів, депоновані 1 монографія, 1 стаття, а також отримано 1 патент Російської Федерації.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 371 назви і додатків. Повний об'єм роботи складає 348 сторінок і містить 81 рисунок і 9 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступній частині обґрунтовано актуальність теми дисертації і дано оцінку сучасного стану проблеми на момент початку досліджень, сформульовані мета і задачі роботи, наукова новина і практична цінність отриманих результатів, наведена інформація про особистий вклад автора, відомості про апробацію роботи, публікації і структуру дисертації.

Розділ 1. "Динамічні характеристики активних і пасивних елементів високошвидкісних волоконно-оптичних систем. Огляд літератури" присвячений огляду літератури з теми дисертації і аналізу досягнутого рівня, граничних параметрів і причин обмеження швидкості і віддалі передавання інформації у волоконно-оптичних системах.

Оптимальними рішеннями у сучасному оптоволоконному зв’язку є сполучення локальних систем на основі багатомодових волокон і багатомодових напівпровідникових гетеролазерів, а також систем дальнього і регіонального зв'язку на основі одномодових волокон і високошвидкісних квантоворозмірних лазерів.

Проблеми застосування багатомодових оптичних волокон (БМ ОВ) зводяться до зниження диференційної модової затримки і модових шумів. Рівень цих параметрів може бути зниженим через контроль над частиною сигналу, який потрапляє у моди вищих порядків і моди оболонки волокна. Ефективним методом теоретичного дослідження поведінки напівпровідникових гетеролазерів, їх статичних, динамічних, спектральних, модуляційних характеристик є моделювання на основі розв'язку систем швидкісних диференційних рівнянь. І в той же час, такий підхід не дає задовільного опису експериментальних динамічних характеристик при імпульсній модуляції (режим великого сигналу).

Поведінка високошвидкісних лазерів в умовах великого рівня сигналу, що модулює, вивчена недостатньо, що позначається на ступені розуміння ефектів, які пов'язані з впливом амплітудно-фазового зв'язку.

Створення адекватної моделі великого сигналу високошвидкісного гетеролазера вимагає врахування того, що період зміни електромагнітного поля, а, відтак, процесів взаємодії його з носіями заряду, порівняний з часом життя носіїв у активному шарі резонатора. Тому можливе виявлення когерентних квантовомеханічних ефектів. Показано, що для вирішення цих питань необхідно доповнити відомі з літератури рішення новими науковими результатами, здобутими під час виконання теоретичних і експериментальних досліджень.

Розділ 2. "Енергетичні і динамічні характеристики оптичного випромінювання у оптоволоконних системах в багатомодовому режимі при високочастотній модуляції" присвячений аналізу енергетичних і дисперсійних властивостей оптичних волокон і напівпровідникових лазерів для багатомодових оптоволоконних систем. Фактором, який обмежує високосмуговість багатомодових оптоволоконних каналів, є дисперсія і нелінійні ефекти, що пов'язані із взаємодією мод оптичного волокна.

Запропоновано метод визначення розподілу модової потужності і дисперсії ОВ з урахуванням мод оболонки, який дозволяє аналізувати перерозподіл потужності між усіма LP модами через розв'язок рівняння дифузії для груп мод m межовими умовами для мод оболонки. Одержано формальний, незалежний від модового режиму розв'язок рівняння дифузії для втрат і дисперсійних викривлень у багатомодових волокнах з урахуванням впливу мод оболонки і межі оболонка-захисний шар.

Показано, що моди оболонки переносять значну частину потужності випромінювання і вносять вагомий внесок в передавання сигналу. Це дає можливість збільшити ефективність узгодження ОВ з лазером при відносному зниженні дисперсії пасивного каналу ЛВОС. Таким чином, підтверджується можливість використання багатомодових світловодів, наприклад у сполученні з лазерами поверхневого випромінювання, які мають неоднорідний розподіл поля випромінювання і переважно збуджуючі периферійні ділянки оптичного волокна, де формуються моди оболонки і моди вищих порядків.

Узагальнено методи аналізу напівпровідникових гетеролазерів з об'ємним активним шаром. У рамках малосигнального підходу виконано аналіз параметрів еквівалентної схеми лазерного діоду на основі рішення швидкісних рівнянь. Отримані модуляційні характеристики, параметри електро-оптичного резонансу, а також проведено дослідження їх зміни у залежності від змінної складової струму і рівня (постійного) сталого зміщення.

Показано наявність впливу потужності, що модулює і відповідних їй процесів нагрівання активної ділянки лазера на імпеданс і резонансну частоту релаксаційних коливань. Експериментально встановлено, що при значному збільшенні потужності модулюючого високочастотного сигналу після насичення потужності наступає її спад. Це свідчить про зсув частоти електрон-фотонного резонансу випромінювача у ділянку низьких частот, а основним механізмом зв'язаного з цим обмеження широкосмуговості є нелінійна поведінка оптичного підсилення.

Одержані вперше вирази для частоти релаксаційних коливань з урахуванням температури активної зони гетеролазера і їх аналіз у складі теплової моделі лазерного діоду із дальшою експериментальною перевіркою отриманих результатів дозволили зробити висновок, що має місто відчутний вплив глибини модуляції на вихідну оптичну потужність.

У розділі також наведено результати чисельного і експериментального дослідження характеристик двокомпонентного гетеролазера (ДКГЛ), які описуються системою рівнянь.

За допомогою малосигнального аналізу показано наявність ділянки стаціонарного режиму генерації при відповідному виборі геометрії і співвідношення струмів зміщення секції лазера. Чисельні і експериментальні дослідження статичних і високочастотних властивостей вихідних характеристик дозволили визначити оптимальні параметри несиметричного ДКГЛ.

Показано, що при зменшенні відносної протяжності модуляторної секції у ДКГЛ виникає стійкий режим диференційного підсилення (диференційна ефективність при цьому може бути на порядок більшою, ніж у звичайного однорідного гетеролазера).

Доведено, що ДКГЛ на GaAs з  = ,1 може забезпечити роботу у малосигнальному режимі модуляції у діапазоні, який перевищує 3 ГГц при зниженні втрат узгодження до 10 дБ, що задовольняє потребу розподільних мереж радіоволоконних і регіональних систем.

Розділ 3. "Дослідження динаміки напівпровідникових лазерів і процесів перенесення у квантоворозмірній структурі" присвячений опису динамічної поведінки КРС - лазерів. Результати цього розділу є основою для формулювань теоретичної моделі великого сигналу.

Показано, що існуючі динамічні моделі мультиквантоворозмірних лазерів (МКР), які описують їх експериментальні характеристики, або ведуть до необхідності розв'язувати велику кількість диференційних рівнянь, або використовують надзвичайно спрощений підхід.

Рис.1 Зміна кількості носіїв заряду впродовж КРС

Показано наявність різкого спаду концентрації тримірних електронів у діапазоні КЯ на початковій ділянці і практично незмінну концентрацію 2D-електронів, що визначається процесами захоплення і тунелювання ямами. Показано, що загальна кількість носіїв заряду у ямах прямо пропорційна числу ям у лазерній системі і необхідною умовою генерації є перевищення порогу прозорості у всіх ямах. Тому можна описати поведінку МКР- лазера з одним КР- шаром за рахунок введення пропорційного числу ям m збільшення порогу прозорості. Запропонована альтернативна динамічна модель одиночної квантової ями:

, , ,

де - число носіїв заряду у ділянці обмеження, - число носіїв у ямі; - коефіцієнт підсилення для однієї ями, - оптичний коефіцієнт обмеження КРС з однією КЯ, , і - відповідно, часи захоплення і викиду носіїв з КЯ і ефективний час життя.

Чисельний аналіз показує, що ця модель забезпечує збереження точності розрахунку динамічного відгуку лазера незалежно від кількості квантових ям.

Введено поняття узагальнених тримірних електронів у МКР-структурі, що дало змогу звести динамічну модель до системи з трьох швидкісних рівнянь, незалежно від числа КР-шарів. Вона дає результати, практично еквівалентні результатам детальної моделі і при цьому не спостерігалась залежність точності від величини струму накачування, на відміну від моделі одиночної квантової ями, яку доцільно використовувати при струмі зміщення більше 1,5 IS , де IS - пороговий струм. Застосування запропонованих альтернативних моделей для тестових досліджень приведе до значного спрощення чисельних розрахунків.

Обмеження модуляційної смуги КРС - лазера у значній мірі визначається процесами захоплення носіїв квантової ями. Аналіз енергетичної структури КРС-лазера з роздільним обмеженням носії показав помилковість застосування теорії амбіполярного дифузійного перенесення для аналізу ЛД у режимі вище порогу. Високо лежачі стани керна приводять до великого інтегралу зв'язку волнових функцій. Показано, що при ширині керна до 75-100 нм ще спостерігаються дискретні енергетичні стани. Отже, заповнення станів керна має вплив на час захоплення і на обмеження модуляційної смуги.

Доведено, що перенесення носіїв заряду у КРС-лазері здійснюється як двоступінчастий процес: перенесення з обмеженням швидкості носіїв заряду через зіткнення, а за ним точний квантовомеханічний механізм захоплення (швидке захоплення). При цьому слід пам'ятати, що вище лазерного порогу процеси у КР-шарі розглядаються тільки для носіїв нижнього рівня. Тому до аналізу необхідно ввести також класичні процеси перенесення носіїв заряду.

У результаті аналізу фундаментальних рівнянь для зміни щільності носіїв заряду (рівняння Пуассона і рівняння безперервності) для амбіполярного уявлення дифузії носіїв заряду з постійною часу життя і у межах дії наближення Больцмана одержані стаціонарні рішення для щільності носіїв заряду , де- щільність струму,- ширина ділянки обмеження носіїв.

Показано, що нижче порогу це рішення веде до відомого положення, що час накопичення заряду рівний амбіполярному часу життя , тобто .

Вище порогу КР-шар споживає носії і крива концентрації дуже близька до прямої лінії. На порозі гостре ребро у точці 0 зникає (рис.2, крива 2) і крива ідентична всім можливим залежностям з довільним . Диференційне зростання носіїв пропорційне зміні цільності струму, у той час як у режимі вище порогу надлишкові носії залежать від і тоді .

Звідки , де .

Рис 2. Зміна концентрації носіїв заряду у КРС

Таким чином, в умовах накачування великого сигналу час накопичення заряду строго залежить від характеру накачування. Це дозволяє зробити висновок про зміну часу накопичення заряду у КР-структурі при переході через порогове значення струму накачування. Час накопичення заряду, рівний до порогу амбіполярному часу життя , на порозі зменшується до величини . Ці висновки привели до простої фізичної картини для розуміння зменшення амбіполярного часу перенесення після досягнення лазерного режиму. Наведено результати чисельного аналізу, які показують переважність представлення поведінки великого сигналу на основі принципу перемикання часу нагромадження заряду у порівнянні із ідеалізованою моделлю з постійними параметрами.

Розділ 4. "Підсилення у режимі великого сигналу, вплив нелінійних ефектів і особливостей КР- структури на спектральні і модуляційні характеристики КРС- лазерів" присвячено аналізу процесів підсилення і обґрунтуванню застосування теоретичних методів для моделювання нелінійного насичення підсилення у напівпровідникових лазерах з об'ємною і квантоворозмірною структурами в умовах модуляції великого сигналу.

У рамках теоретичного моделювання і порівняння з експериментальними даними вдалося конкретизувати форми моделей і знайти ряд нових математичних виразів як для лазерів з масивним активним шаром, так і КР- структур з урахуванням можливої еластичної деформації структури. Виконано аналіз електрон-фотонної взаємодії у кристалі, що виражається у прирості загального числа фотонів у моді, яка поширюється за рахунок індукованих переходів над числом фотонів у моді, і який визначається як стала підсилення. Для дослідження характеру зміни диференційного підсилення у присутності деформації зон запропонована спрощена модель і введено відносний параметр асиметричності .

Показано, що диференційне підсилення прямує до нуля при сильному зростанні концентрації носіїв, тобто має місце насичення лінійного підсилення. У припущені квазінейтральності заряду для донорного і акцепторного легування активного шару відповідно, одержуємо диференційне підсилення напруженої структури у вигляді функції:

.

Отримана універсальна модель показує особливості поведінки диференційного підсилення, які пов'язані з еластичною деформацією. За її допомогою вказані шляхи підвищення диференційного підсилення.

Для повної симетрії КРС маємо незалежно від концентрації, а при сильному легуванні з і асиметрії одержуємо . Так як і і обернено пропорційні ширині ями, то диференційне підсилення буде незалежне від . Чисельні розрахунки для структур GaAs/AlGaAs показали, що існує оптимальна комбінація міри еластичної деформації і р-легування (змінна ), яка дає максимальне диференційне підсилення. Це значення = ..10 при = 1018 см-3, що дає =0,84. Введення легування при високій несиметричності збільшує більш ніж у 4 рази у порівнянні з комбінацією =0, =20. Одночасне введення і деформації і р -легування дає збільшення більш ніж у 6 разів.

Систематично досліджена форма представлення нелінійного насичення у режимі великого сигналу при високому рівні накачування з одночасним урахуванням нелінійних ефектів, які визначаються як зростанням концентрації носіїв заряду, так і оптичного випромінювання. Теоретично і експериментально досліджені модуляційні характеристики мульти-квантоворозмірних лазерів на основі GaAs і InGaAs для різних форм функцій підсилення. Встановлено, що із зростанням струму зміщення збільшується міра їх розходження . Це вказує на необхідність урахування залежності параметрів моделей від струму накачування.

Зроблено припущення про наявність залежності коефіцієнта насичення від динаміки лазерного процесу. Показано, що у режимі великого сигналу коефіцієнт насичення залежить від інтенсивності накачування. Вперше отримано емпіричний вираз, який описує цю залежність, як функцію нормованого струму накачування

У діапазоні значно вище порогу коефіцієнт насичення прагне до асимптотичного рівня, у той час, як нижче і на порозі строго залежить від рівня накачування , що показує те, що обмеження процесів кінетики носіїв через розсіювання ще не досягнуті при малому струмі. Отриманий вираз для з високою точністю співпадає з оцінками, які витікають з квантовомеханічної моделі стаціонарного підсилення. Цей вираз в подальшому включається у динамічну модель великого сигналу в КРС лазера. Таким чином, для опису динамічної поведінки підсилення у напівпровідникових лазерах, сформульовано нову комплексну чисельну модель, яка поширена на діапазон динаміки великого сигналу, так як включає залежності параметрів від величини накачування.

Розділ 5. “Динамічна дифузійна модель КРС - лазера у режимі великого сигналу з урахуванням амплітудно-фазового зв’язку” присвячено узагальненню моделі перенесення великого сигналу для аналізу динамічного відгуку КРС – лазерів і нелінійних процесів амплітудно-фазового зв’язку, а також розвитку теорії процесів розповсюдження сигналу з врахуванням амплітудно-фазового зв’язку через оптоволоконний канал.

Чисельний аналіз показав, що відомі три рівневі динамічні моделі КРС – лазерів у достатній мірі однаково описують поведінку лазера в усталеному стаціонарному режимі випромінювання. Встановлено, що через специфіку побудови наведених моделей і способу визначення чисельних значень, феноменологічних параметрів, що входять у них, кожна по-різному відбиває поведінку при процесах, що швидко змінюються, і зокрема, характер релаксаційних коливань і швидкість їх згасання, що ускладнює аналіз експериментальних характеристик у режимі великого сигналу.

На підставі положення про зміну часу накопичення заряду, яке розглянуто у розділі 3, отримана динамічна модель, заснована на принципі зміни часу накопичення заряду і продемонстрована типова різниця у поведінці великого сигналу у порівнянні з ідеалізованою моделлю, яка заснована на сталості параметрів. Рис. 3 показує відгук при сталих часу життя носіїв керна. Оптичний відгук при = ,5 нс () має час затримки моменту збільшення числа фотонів, який відповідає реальній поведінці лазера (помічена стрілкою вертикальна лінія), тоді як стаціонарний відгук Z-1 ,5 досягається значно пізніше реальних значень.

При = ,5 пс () первинний час затримки нереально малий, так як час наростання заряду у керні набагато менше, ніж звичайна величина . Відгук відповідає значенню , що переключається згідно введеній вперше умові.

Доки число носіїв Y менше порогової величини Y0, початковий час затримки визначається, як . Потім перенесення носіїв у КР- шар дуже прискорюється і перевищує значення Y0 .

Рис. 3. Відгук числа носіїв заряду і фотонів на сходинку струму у режимі великого сигналу

Рис. 4. Модифікована дворівнева модель лазерного процесу

Наявність встановленої різниці у поведінці відгуку великого сигналу у порівнянні з ідеалізованою моделлю зі сталими параметрами підтверджує зроблений раніше висновок про необхідність сформулювати нову динамічну модель КРС-лазера, яка враховує зміну швидкості процесів наростання заряду. Відсутність релаксаційних коливань на кривій оптичного відгуку для вказує на недосконалість застосованої моделі насичення підсилення, у якій не врахована його залежність від швидкості накачування .

Запропонована нова динамічна модель транспортних і рекомбінаційних процесів у КРС- лазері, яка виходить з визначення частини носіїв з 3D- хвильовою функцією безпосередньо в ділянці КР- шару, які взаємодіють з 2D-носіями. Ця модель представляє процес перенесення носіїв заряду як перенесення з постійним часом життя, який є рівним у допороговому діапазоні амбіполярного часу життя 3D-носіїв, тобто як у світлодіодах. Вище порогу з огляду незмінності числа носіїв у КР- шарі при струмі вище порогу, час життя зменшується до амбіполярного часу перенесення, який залежить від характеру накачування. Це, так зване “переключення” часу перенесення відбувається автоматично і є очевидною позитивною якістю запропонованої моделі для моделювання поведінки КРС- лазерів у режимі великого сигналу.

На основі класичної моделі активної зони за допомогою моделі амбіполярного перенесення і використовуючи дворівневе уявлення лазерного процесу, сформована дифузійна динамічна модель у вигляді системи рівнянь одномодового лазера, яка вміщує ефекти дифузійного перенесення і переключення часу накопичення носіїв у діапазоні КР- шару:

,

Для спрощення аналізу результатів отримана нормована система швидкісних рівнянь і визначені нормовані часові і структурні коефіцієнти і граничні умови, записані для нової (змінний час накопичення заряду) і альтернативної моделей (постійний час). Визначені методика і умови, а також за допомогою оригінального