Оптоэлектроника

Насыщение поглощения

Возвратимся теперь к выражениям (3.26), определяющие различие заселенности между двумя уровнями в функции частоты Раби Ц2, которая, в свою очередь, дает связь с напряженностью электрического поля Е0О, п =Е0Оп /Ь. Вспоминая, что число частиц в системе постоянно, получаем следующую систему из двух уравнений:

(3.54)

Где N — полное число электронов в системе. Таким образом, мы видим, что уровни заселенности каждого из двух уровней стремятся сравняться по мере увеличения потока фотонов (Ц2 —> «>). Интуитивно это может быть понято следующим обра­зом: по мере увеличения потока фотонов процесс поглощения стремится заселить верхний уровень вплоть до такого значения, при котором скорость стимулирован­ного излучения полностью не скомпенсирует скорость поглощения.

Говоря более точно, если мы рассмотрим два уровня, достаточно далеко разне­сенные по энергии, так что при термодинамическом равновесии все электроны находятся на уровне |1) (ДЛ^4 = 7У), то число частиц на уровне |2) приобретает вид:

(3.55)

1+Ф/Ф«,

Где Фм( — поток насыщения для двухуровневой системы, который определяется ус­ловием а,2 = / ^ТХТ2 в (3.54) и с учетом (3.45):

Ф.^С£о? ор. (3 5бд)

2 фйТхТ2 К }

Поток насыщения двухуровневой системы

Как только поток насыщения достигает этой величины, поглощение умень­шается вдвое и стремится к нулю при достаточно большой мощности возбуж­дения. Заметьте, что неравенство > Ы2 справедливо для любого уровня воз­буждения.

Если бы это не имело места, то прямым следствием было бы то, что

Система испытывала бы отрицательное поглощение и, таким образом, оптическое усиление. Условие, при котором Ы2 > Л^, называется инверсией заселенности и, как мы только что продемонстрировали, не может быть реализовано в двухуровне­вой системе.

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

Используя выражение для мощности насыщения Р5М (уравнение (3.56а)), мож­но экспериментально определить время ЖИЗНИ возбужденного СОСТОЯНИЯ Гр как только установлено время Т2 (из ширины пика поглощения), с помощью выражения:

= 2 Щ27пУТ, Т2 (3'56б)

Для квантовых ям с величиной дипольных матричных элементов г[2 порядка

1 нм и шириной линий поглощения порядка 10 мэВ (т. е. Т2 = 0,1 пс) плотность мощности насыщения составляет 2 МВт см-2. Рисунок 3.2 иллюстрирует насы­щение поглощения для двухуровневой квантовой ямы. Измеренная величина Р&я{ в действительности намного выше по сравнению с предсказанной здесь величи­ной, что является следствием правил отбора, которые будут рассматриваться позже в главе 8.