Оптоэлектроника

Квантово-размерный эффект Штарка и модуляторы с собственным электрооптическим эффектом

В дополнении 1.В мы уже видели, каким образом электрическое поле F, приложен­ное перпендикулярно квантовой яме будет смещать энергетические уровни в яме (или уровни, которые, как мы теперь знаем, соответствуют дну подзон). Этот кван­тово-размерный эффект Штарка может использоваться в модуляторах электропог­лощения. В этом случае приложенное напряжение модулирует интенсивность про­ходящего пучка излучения.

Для рассмотрения этого эффекта выберем частоту излучения таким образом, чтобы при F = 0 энергия фотона соответствовала области прямо под краем эффек­тивной ширины запрещенной зоны квантовой ямы:

Hv < Eg+ ef (0)+ е,' (О)

В этих условиях излучение не поглощается ямой (смотрите рис. 8.В. 1).

С использованием простой модели дополнения 1.В находим, что уровень е* снижается в соответствии с уравнением (1.В.2):

1_ПЛ

В *

Рис. 8.В.1. Принцип функционирования модулятора на основе квантово-размерного эффекта Штарка.

При этом в случае очень глубокой ямы (уравнение (1.В.4)):

£,»=£,С(0)- ] « Є 1ГЄ Є'

3 Я й

Основной дырочный уровень смещается аналогичным образом:

£,»=£,»- ] «■ ■

Ї и Ь

При этом эффективная ширина запрещенной зоны (рис. 8.В.2) уменьшается (длинновол­новый сдвиг) в соответствии с:

ЕеАг)= Р1 (8В'5)

Здесь М = те + тИ. При фиксированной величине Иу0 эффективная ширина запре­щенной зоны может стать меньше /*у0, и яма будет поглощать излучение пучка. Край поглощения является очень резким (рис. 8.10 или 8.Б. З) В результате этого

Рис. 8.В.2. Под воздействием электричес­кого поля Г эффективная ширина запре­щенной зоны и связанный с ней край по­глощения уменьшаются по энергии. В ре­зультате этого фотоны с энергией, которая изначально была меньше края запрещен­ной зоны при нулевом поле (а), будут по­глощаться квантовой ямой при приложе­нии поля (б).

Слабая модуляция электрического поля приводит к сильной модуляции пропускае­мого света. Амплитуда модуляции может быть увеличена последовательным введе­нием нескольких квантовых ям.

Пример---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В случае квантовой ямы GaAs шириной L = 200 А при приложении поля с напря­женностью F= 10 кВ/см находим:

К J-1»*' К^хЮ - м)Д(0.067 + 0.57)9,1х|0- кгхвм^ = ^

1 *' 1 35я6 (l,05xl0-34 Джс)

Для длин волн порядка 1,5 мкм это соответствует длиноволновому сдвигу края поглощения величиной АЛ/Л = А Е/Е или 5 нм.

Из уравнения (8.В.5) видно, что квантово-размерный эффект Штарка проявля­ет очень сильную зависимость от ширины ямы L. Хотя этому эффекту благоприят­ствует большая ширина ямы, его амплитуду нельзя произвольно увеличивать за счет возрастания ширины ямы. Ограничение возникает из-за того, что перекрытие электронной и дырочной волновых функций (локализованных на противополож­ных границах раздела из-за приложенного поля) становится все меньше по мере возрастания ширины ямы. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению поглоще­ния (уравнение (8.636)).

В пределе широкой ямы подзоны данной зоны сближаются до тех пор, пока становится уже невозможно их различить одну от другой, при этом квантво-раз - мерный эффект переходит в эффект Франца—Келдыша, изученный в дополнении 7.А. Можно было бы спросить себя, а какой из этих двух механизмов способен обеспечить лучшие функциональные характеристики модулятора. Преимуществом, предоставляемым квантовыми ямами является то, что высокий уровень поглоще­ния гарантируется состоянием поглощения, т. к. как электроны, так и дырки лока­лизуются в пределах той же самой ямы. В альтернативном варианте эффект Фран­ца-Келдыша сопровождается сравнительно слабым поглощением в состоянии «бло­кирования излучения». Это связано с тем, что экспоненциальный спад края запрещенной зоны всегда остается достаточно слабым (смотрите рис. 7.А. З). Дру­гим преимуществом, обеспечиваемым квантово-размерным эффектом Штарка, яв­ляется то, что ширина квантовой ямы может быть оптимизирована (в процессе роста) с учетом специфической длины волны модулируемого излучения.

Еще одно явление, обусловленное квантово-размерным эффектом Штарка, яв­ляется то, что квантовая яма под влиянием электрического поля ведет себя как фо­топроводник. Электроны и дырки, фотогенерированные в процессе поглощения, могут покинуть яму либо вследствие теплового выброса в надбарьерную область, либо вслед­ствие туннелирования через потенциальные барьеры (смотрите рис. 8.В. Зя). После чего электрическое поле вытягивает носители из структуры, вызывая протекание фототока, который в первом приближении пропорционален произведению поглоще­ния на поток излучения. Комбинированное использование квантово-размерного эффекта Штарка и фотопроводимости приводит к реализации прибора с акронимом «SEED» или прибора с собственным электро-оптическим эффектом.

Принцип функционирования SEED-прибора иллюстрируется рисунком 8.В. З. Мы включаем модулятор электропоглощения в цепь смещения с последователь­ным сопротивлением R. Электрическое смещение модулятора в этом случае при­водит к тому, что энергия фотона начинает превышать положение экситонного пика, связанного с основным переходом, что приводит к сильному поглощению. В этом случае SEED-прибор находится в состоянии сильного поглощения (смотрите рис. 8.В.1). При малом уровне мощности падающего излучения Р. п фототок /так­же остается малым. По мере увеличения мощности оптического излучения фото-

N

Р

In

Рис. 8.В. З. Принцип функционирования 5ЕЕО-прибора. Под влиянием электрического поля носители освобождаются из

Out квантовой ямы, например, за счет туннелирования (а). Струк­тура, содержащая квантовые ямы, электрически смещается це­пью с последовательным сопротивлением R(6). Реакция струк­туры на действие электрической цепи заключается в резком уменьшении выходного сигнала, когда мощность входного из­лучения превышает определенное пороговое значение (<?).

Ток также возрастает, что приводит к скачку падения напряжения на сопротивле­нии ^SEED. В результате этого падение напряжения на модуляторе также падает, что сопровождается уменьшением напряженности поля FSEED в квантовой яме, приводящим к ослаблению поглощения (т. к. ослабление поле сопровождается коротковолновым сдвигом края поглощения). Как только падение напряжения на SEED-приборе достаточно упадет, прибор переходит в состояние слабого поглоще­ния. Это, однако, приводит к уменьшению фототока, что способствует восстанов­лению состояния сильного поглощения SEED-прибора. Ниже этот цикл сумми­руется в следующем виде:

Ahigh => / Т=> VSEED! => /seed ^ => коротковолновый сдвиг => => orlow => I I => KSEED Т => FSEED Т => длинноволн овый сдвиг

Таким образом, SEED-прибор обладает двумя стабильными состояниями при заданном уровне мощности падающего излучения, включение которых определяет­ся предысторией ранее проводившейся засветки. Режим бистабильности, в преде­лах которого SEED проявляет такой характер, может использоваться, например, в элементах оптической памяти.

Если в дополнение к этому мы заменим внешнее сопротивление вторым SEED-при­бором, то станет возможным объединять такие элементы в цепи, способные осуществлять логические операции с использоанием комбинированных пучков излучения.