раздел 2
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ сверхбыстрОЙ динамикИ полупроводниковых ОПТИЧЕСКИХ
усилителей
на основе амкрс
2.1 Общие аспекты динамики восстановления усиления в ПОУ
Как было показано в разделе 1, одной из важнейших характеристик ПОУ является
скорость восстановления усиления после воздействия УКИ. Возможность
обрабатывать высокоскоростные потоки данных зависит от того, на сколько быстро
восстанавливается усиление. Практически данная характеристика определяется с
помощью фемтосекундой спектроскопии. В этом случае на вход ПОУ с
инвертированной активной средой подаются два УКИ – возбуждающий и зондирующий.
Более мощный импульс возбуждения (мощность должна быть достаточной для
выведения прибора в нелинейный режим работы) приводит к резкому росту
стимулированной рекомбинации, за счет которой резко падает населенность
активной среды. В результате уровень усиления резко снижается. Но за счет
непрерывной накачки, усиление со временем восстанавливается. Второй,
зондирующий, УКИ подается на вход ПОУ с некоторой задержкой относительно УКИ
возбуждения. Мощность зонда мала и находится в диапазоне линейного усиления.
Поскольку усиление восстанавливается после прохождения УКИ возбуждения,
зондирующий УКИ будет испытывать разную степень усиления в зависимости от
времени задержки. Повторение этой процедуры позволяет отследить полный цикл
динамики восстановления усиления. Некоторые аспекты данного процесса можно
отследить с помощью простой модели.
Пусть УКИ инжектируется в ПОУ в момент времени t=0. За счет стимулированной
рекомбинации населенность активной области резко уменьшится. После этого
населенность восстановится до стационарного значения, как показано на рис. 2.1.
Предполагая зарядовую нейтральность активной области, мы можем описать эту
ситуацию с помощью одного скоростного уравнения для концентрации носителей
заряда в активной области
. (2.1)
В присутствие инжектированного УКИ уравнение (2.1) нужно модифицировать путем
добавления слагаемого, описывающего стимулированную рекомбинацию. Поскольку
длительность импульса очень мала (много меньше времени жизни носителей), то во
время восстановления населенности стимулированная рекомбинация отсутствует.
Следовательно, стимулированная рекомбинация может быть учтена только в
начальных условиях. В случае, когда усиление зависит от населенности активной
среды согласно закону , начальное условие будет иметь вид
, , (2.2)
где - плотность тока инжекции;
- заряд электрона;
- толщина активной области;
- время жизни носителей;
- вспомогательная переменная;
- дифференциальное усиление;
- населенность активной области на пороге прозрачности;
- фактор оптического ограничения;
- стационарная населенность активной области;
- коэффициент нелинейности [280 - 282];
- концентрация фотонов в импульсе.
Решение данного уравнения имеет вид
. (2.3)
Таким образом, населенность восстанавливается экспоненциально с постоянной
времени равной времени жизни носителей в активной области. Чем меньше , тем
быстрее происходит восстановление. Из уравнений (2.1 – 2.3) мы можем получить
функцию восстановления усиления , которую удобно представить, по аналогии с
функцией восстановления населенности, через стационарное усиление и усиление в
нулевой момент времени
. (2.4)
Таким образом, усиление восстанавливается так же как населенность активной
области и с той же постоянной времени.
Общепринятой оценкой времени восстановления является временной отрезок, в
течение которого рассматриваемая величина (населенность или усиление) нарастает
после обеднения с 10% до 90%. Используя это определение и выражение (2.3),
время восстановления населенности можно выразить через время жизни
, (2.5)
, (2.6)
. (2.7)
Точно такой же результат получается с использованием функции восстановления
усиления (2.4).
Основной результат данных рассуждений заключается в том, что мы можем влиять на
процесс восстановления путем изменения времени жизни неравновесных носителей.
Типичные значения излучательного времени жизни лежат в наносекундном диапазоне
[83, 94, 215].
Однако, как показывают экспериментальные исследования [216-219], восстановление
усиления происходит значительно быстрее, чем оценка по (2.7). Это связано с
участием таких процессов:
выжигание спектральных провалов;
охлаждение нагретых носителей;
релаксация носителей в КЯ;
Процессы рекомбинации в активной области играют роль в заключительной,
«медленной», фазе восстановления. Поэтому проделанные выше оценки должны быть
дополнены так, чтобы модель ПОУ включала в себя перечисленные физические
эффекты. А в случае многослойных КР структур модель должна также включать в
себя описание процессов переноса [220-222].
2.2 Имитационная модель ПОУ на основе АМКРС
Изложенные в подразделе 2.1 общие аспекты динамики ПОУ, представляет собой
простейшую имитационную модель. В случае имитационного моделирования работа
ведется не с отдельным физическим эффектом, а уже с объектом. В данном случае
таким объектом является ПОУ. С целью создания имитационной модели воедино
собираются модели нескольких, наиболее существенных, физических процессов. И в
результате получаем модель, которая имитирует поведение объекта в каком-либо
ракурсе или со всех сторон. При построении имитационной модели важно не только
использовать проверенные модели отдельных физических эффектов, но и правильно
связать эти модели. Связки между моделями также должны быть физически
обоснованными и лежать в рамках известных представлений о природе вещей.
В силу того, что имитационная модель включает в себя все аспекты физики
прибора, она может использоваться как замена эксп
- Київ+380960830922