Шуліка Олексій Володимирович. Процеси переносу в активних середовищах напівпровідникових лазерів та оптичних підсилювачів на основі асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктур : Дис... канд. наук: 01.04.05 - 2008.
Анотація до роботи:
Шуліка О. В. Процеси переносу в активних середовищах напівпровідникових лазерів та оптичних підсилювачів на основі асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктур. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2008.
У дисертаційній роботі проведено теоретичний опис й дослідження процесів переносу носіїв заряду в асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетероструктурах (АБКРС), які є активними середовищами для напівпровідникових лазерів і підсилювачів. Основну увагу приділено композиційно асиметричній квантово-розмірній активній області на основі твердого розчину InGaAsР. Але отримані результати можуть бути застосовані і до інших шаруватих квантово-розмірних структур.
Із застосуванням імітаційних моделей напівпровідникового лазера і напівпровід-никового оптичного підсилювача встановлено, що процеси тунельного переносу й процеси захоплення носіїв є ключовими у визначенні швидкодії цих приладів.
Із застосуванням самоузгодженої моделі потенційного профілю квантово-розмірних структур досліджено спектри власних станів симетричних КРС і АБКРС. Показано, що кусочно-постійна апроксимація зонної діаграми може бути застосована для довільних симетричних багатошарових КРС, а також для АБКРС, сформованих шарами однакової товщини.
На основі квантово-механічного аналізу подано визначення області захоплення, яке є справедливим для КРС будь-якої розмірності. Шляхом моделювання реальних гетеросистем й обчислень показано, що область захоплення може бути як менше, так і більше геометричних розмірів КРС.
З використанням концепції групової швидкості проведено кількісну оцінка тунелювання в АБКРС. Показано, що в базовій структурі тунелювання від глибоких КЯ до мілких здійснюється здебільшого через верхні стани №4-6. А тунелювання від мілких КЯ до глибоких відбувається в основному через нижні стани №1-3. Показано, що середні часи тунелювання знаходяться в інтервалі від одиниць пікосекунд до декількох десятків фемтосекунд.
У дисертаційній роботі вирішено поставлену задачу, яка полягає у встановленні закономірностей процесів квантового переносу в композиційно асиметричних багатошарових квантово-розмірних гетеро структурах, їх теоретичному описі і встановлені суті їхнього впливу на імпульсний відгук напівпровідникових оптичних підсилювачів. Основні результати такі:
На основі побудованої імітаційної моделі теоретично досліджено динаміку населеності активної області і підсилення після проходження 100-фс оптичного імпульсу. Було встановлено, що зміна концентрації носіїв у кожній КЯ сильно залежить від довжини хвилі оптичного імпульсу що налітає, а у відновленні підсилення ключовим фактором є процеси квантового переносу. Аналіз динаміки носіїв показав, що населеність глибоких КЯ може бути скомпенсована за рахунок носіїв із мілких КЯ. Аналіз динаміки підсилення показав, що зміна підсилення для сигналів проби й накачування з однаковими довжинами хвиль визначається конкуренцією процесів динамічної зміни температури носіїв і її впливом на оптичне підсилення. У випадку різних довжин хвиль накачування й зондування насичення досягає більшої величини на коротких хвилях. У тому ж діапазоні довжин хвиль має місце менша швидкість відновлення підсилення. Одержані результати дозволяють зробити висновок про те, що для прискорення відгуку НПОП варто домагатися підвищення швидкості переносу між КЯ. Із практичної точки зору, у системах швидкісної обробки даних на основі НПОП керуючі імпульси повинні мати меншу довжину хвилі в порівнянні з довжиною хвилі УКІ інформаційного потоку.
Теоретичне дослідження симетричних КР структур дозволило вперше виявити механізми формування потенціалу, наведеного зв'язаними носіями. Практично нульова густина імовірності знайти дірки в бар'єрах і одночасно більша густина імовірності знайти електрони в бар'єрних шарах, визначають локальні мінімуми потенціалу Хартрі в бар'єрних шарах і його локальні максимуми у квантових ямах. Положення глобального екстремуму потенціалу визначається двома факторами: практично однорідним розподілом густина імовірності дірок і просторовим розподілом густини імовірності електронів, характерним для поодинокої КЯ. Доведено, що аналогічна фізична картина справедлива й для АБКРС.
Показано, що вплив особливостей просторового розподілу носіїв заряду в базовій АБКРС нехтовно малий, що дає підстави для застосування кусочно-постійної апроксимації для аналізу оптичних властивостей даної структури і особливостей процесів переносу. Подальший аналіз показав, що кусочно-постійна апроксимація зонної діаграми може бути застосована для довільних симетричних багатошарових КРС, а також для асиметричних багатошарових КРС, сформованих шарами однакової товщини.
Показано, що спектр станів квазіконтинууму управляється не тільки загальною товщиною структури, але й потенціальним рельєфом, який створюють КЯ і бар'єри що чергуються. Встановлено, що довжина хвилі станів квазіконтинуума пов'язана з товщиною бар'єрів співвідношенням , де - номер мінізони, а енергія нижчого стану першої мінізони може бути оцінена із співвідношення . Одержані дані дозволяють проводити первинну оцінку ефективності захоплення носіїв заряду.
Вперше проведено теоретичний опис області захоплення не як геометричного параметра КР гетеросистеми, а як фундаментальну характеристику низькорозмірних гетероструктур, яка випливає з їхньої квантової природи. Доведено, що введене визначення області захоплення справедливе для гетероструктур будь-якої розмірності. Вперше показано, що область захоплення може бути як менше, так і більше геометричних розмірів КР гетероструктури, залежно від температури і рівня зміщення.
Вперше проаналізовано просторову залежність коефіцієнта міжпідзонного зв'язку й виявлено закономірності її формування.
Вперше проаналізовано ефекти тунелювання в композиційно асиметричній багатошаровій квантово-розмірній структурі. Показано, що тунелювання від глибоких КЯ до мілких (зліва направо) здійснюється здебільшого через верхні стани (№ 4-6). А тунелювання від мілких КЯ до глибокого (справа наліво) відбувається в основному через нижні стани (№ 1-3). Показано також, що навіть у повністю симетричних шаруватих КР структурах процес тунелювання є асиметричним відносно напрямку руху носіїв.
Вперше показано, що при оцінці часів тунелювання варто враховувати взаємодію не тільки сусідніх КЯ, але й КЯ, що перебувають далеко одна від одної. Запропоновано і обґрунтовано методику обчислення часів тунелювання для включення їх в імітаційні динамічні моделі приладів на основі багатошарових КРС. Середній час тунелювання в дослідженій композиційній АБКРС коливається від одиниць пікосекунд до декількох десятків фемтосекунд. Як наслідок, тунельний перенос буде відігравати істотну роль в динаміці населеності й підсилення в даній структурі. Показано, що за рахунок дуже високого темпу тунелювання, компенсація населеності відбувається не тільки за рахунок носіїв із сусідніх КЯ, але й за рахунок носіїв з далеких КЯ. Урахування ефектів тунелювання в імітаційній моделі НПОП дозволило досягти гарного збігу результатів обчислень і експериментальних даних з кінетики відновлення підсилення. Врахування насичення процесу захоплення разом з врахуванням тунельних ефектів дозволило досягти гарного збігу обчислених й експериментальних спектрів підсилення.
Публікації автора:
Лысак, В. В. Исследование динамических свойств лазеров с активной областью в виде массива квантовых точек [Текст] / В. В. Лысак, А. В. Шулика, И. А. Сухоиванов // Радиотехника : всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2002. – Вып. 125. – С. 129-133.
LaserCAD III – на пути к комплексному моделированию квантово размерных лазеров [Текст] / А. В. Шулика, П. С. Иванов, И. М. Сафонов, А. В. Дёгтев, В. В. Лысак, А. В. Кублик, И. А. Сухоиванов // Оптико-електронні інформаційно- енергетичні технології. – 2002. – Т. 3, №1. – С. 125-130.
Shulika, A. V. Interactive teaching software suite for the basic photonics components studying [Текст] / A. V. Shulika, P. S. Ivanov, I. N. Keleberda // LEOS Newsletter. – 2003. – Vol. 17, № 4. – P. 15-19.
Шулика, А. В. Область захвата носителей заряда в низкоразмерных полупроводниковых лазерах и усилителях в условиях малосигнальной модуляции [Текст] / А. В. Шулика // Радиоэлектроника и информатика. – 2004. – Т. 27, № 2. – C. 51-53.
Шулика, А. В. Туннелирование в полупроводниковых оптических усилителях на основе асимметричных многослойных квантово-размерных структур [Текст] / А. В. Шулика, И. А. Сухоиванов, В. В. Лысак // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2004. – Вып. 137. – С. 164-171.
Quantum capture area in layered quantum well structures [Текст] / A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Microelectronics Journ. – 2005. – Vol. 36, №3/6. – P. 350-355.
Вычисление спектров усиления полупроводниковой структуры с одиночной квантовой ямой [Текст] / М. В. Клименко, А. В. Шулика, И. М. Сафонов, И. А. Сухоиванов // Радиоэлектроника и информатика. – 2005. – Т. 32, №3. – C. 43-46.
Влияние аксиального приближения на плотность состояний квантово-размерных структур [Текст] / М. В. Клименко, А. В. Шулика, И. М. Сафонов, И. А. Сухоиванов // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2005. – Вып. 143. – С. 101-106. Статтю перекладено на англ.: Influence of axial approximation upon the density of the states of quantum-dimensional structures [Текст] / M. V. Klimenko, A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Telecommunication and Radio Engineering, Begell House. – 2006. – Vol.65, № 13. – P. 1217-1226.
Ultrafast gain dynamics in asymmetrical multiple quantum-well semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, H. Kawaguchi, I. A. Sukhoivanov, T. Katayama, A. V. Shulika // IEEE J. Quantum Electron. – 2005. – Vol. 41, № 6. – P. 797-807.
Carrier tunneling in complex asymmetrical multiple quantum well semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika, I. M. Safonov, Y. T. Lee // IEEE Photon. Technol. Lett. – 2006. – Vol. 18, №12. – P. 1362-1364.
Лысак, В. В. Полупроводниковые оптические усилители на основе асимметричных многослойных квантово-размерных структур. Ч. 2. Численные исследования [Текст] / В. В. Лысак, С. И. Петров, А. В. Шулика // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2007. – Вып. 149. – С. 106-117.
Web-oriented interactive environment for distance education in study of semiconductor lasers [Текст] / I. N. Keleberda, A. V. Shulika, V. V. Sokol, I. M. Safonov, T. S. Sakalo, P. S. Ivanov, I. A. Sukhoivanov, N. S. Lesna // Proc. SPIE. – 2003. – Vol. 5484. – P. 651-567.
The influence of gain nonlinearities on distortion in semiconductor lasers [Текст] / V. V. Lysak, R. Schatz, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, O. Kjebon // Proc. SPIE. – 2004. – Vol. 5582. – P. 171-178.
Ultrafast dynamics in asymmetrical multiple quantum well SOAs [Текст] / V. V. Lysak, H. Kawaguchi, I. A. Sukhoivanov, Y. T. Lee, T. Katayama, A. V. Shulika // Proc. SPIE. – 2004. – Vol. 5594. – P. 21-32.
Model for self-consistent analysis of arbitrary MQW structures [Текст] / I. M. Safonov, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Proc. SPIE. – 2004. – Vol. 5594. – P. 33-44.
Lysak, V. V. A five-level time-domain model for quantum dot lasers: influence of carrier capture and escape processes on dynamic and static characteristics [Текст] / V. V. Lysak, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2001). – Kharkov, 2001. – P. 64-68.
Lysak, V. V. Influence of carrier capture-escape processes on dynamical behavior and characteristics of quantum dot laser [Текст] / V. V. Lysak, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2001). – Cracow, 2001. – P. 28-31.
Shulika, A. V. A five-level time-domain model for quantum dot lasers: comparison to experiment [Текст] / A. V. Shulika, V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov // First Int. Young Scientists Conference on Applied Physics. – Kiev, 2001. – P. 82-83.
Shulika, A. V. Carrier transport in quantum dot structures [Текст] / A. V. Shulika, V. V. Lysak // Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2002). – Kharkov, 2002. – P. 178-180.
Shulika, A. V. Tunneling peculiarities in asymmetrical quantum-well structures [Текст] / A. V. Shulika, V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov // Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2003). – Alushta, 2003. – P. 242.
Time-domain numerical model for asymmetrical multiple-quantum well traveling-wave semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika, H. Kawaguchi // Conf. Digest of Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO/Europe 2003). – Munich, 2003. – Paper CJ3T.
Carrier recovery dynamics after ultrashort pulse propagation in asymmetrical multiple quantum well traveling wave semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, H. Kawaguchi, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika A. V. // Proc. Int. Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2003). – Alushta, 2003. – P. 176-178.
Ultrafast gain dynamics in asymmetrical multiple quantum-well SOAs [Текст] / V. V. Lysak, T. Katayama, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika // Proc. IEICE Society Conference. – Niigata : Niigata University, 2003. – Paper C-4-19. – P. 295.
Shulika, A. V. Capture area in quantum well structures [Текст] / A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Proc. Int. Conf. Transparent Optical Networks (ICTON 2004). – Wroclaw, 2004. – P. 371-374.
Shulika, A. V. Quantum capture area in layered quantum well Structures [Текст] / A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Proc. Int. Conf. Low Dimensional Structures and Devices (LDSD 2004). - Cancun, 2004. – P. 141.
Safonov, I. M. Applicability of the piecewise-linear approximation of the potential profile of undoped MQW heterostuctures [Текст] / I. M. Safonov, А. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // 5th International Scientific and Technical Conference Quantum Electronics (QE-2004). – Minsk : Byelorussian State University, 2004. – P. 108.
Effect of band structure anisotropy on gain spectra of SQW lasers and amplifiers [Текст] / M. V. Klimenko, О. V. Shulika, O. V. Mashoshyna, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). – Yalta, 2005. – P. 35-37.
Safonov, I. M. Comprehensive modification of AMQW-SCH for the efficient electrons capture [Текст] / I. M. Safonov , О. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). – Yalta, 2005. – P. 16-22.
Klimenko, M. V. Band structure computation of asymmetric multiple quantum wells [Текст] / M. V. Klimenko, О. V. Shulika, I. M. Safonov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). – Yalta, 2005. – P. 64-67.
Anisotropy of the valence subbands in quantum well structures: effect on density of states characteristic [Текст] / M. V. Klimenko, I. M. Safonov, О. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD 2005). – Berlin, 2005. – P. 73-74.
Shulika, O. Two-dimensional simulation of semiconductor Lasers and semiconductor optical amplifiers using ATLAS [Текст] / О. Shulika, W. Freude, J. Leuthold // Int. Workshop on Optoelectronic Physics and Technology (OPT 2007). – Kharkov, 2007. – P. 34-38.
Shulika, O. Simulation of active regions of semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers based on quantum wells [Текст] / О. Shulika // Int. Workshop on Optoelectronic Physics and Technology (OPT 2007). – Kharkov, 2007. – P. 9-11.
