RU220980U1 - Устройство для усиления оптических импульсов на основе полупроводникового волновода с реализуемой волной пространственного заряда - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области физики лазеров, в частности к созданию эффективных усилителей электромагнитного излучения инфракрасного диапазона. Основным элементом предлагаемого устройство для усиления оптических импульсов инфракрасного диапазона является полупроводниковый цилиндрический волновод на основе арсенида галлия, в котором предполагается организация распространяющейся волны пространственного заряда от внешнего источника питания. Кроме того, устройство включает в себя призмы ввода и вывода излучения, глухое зеркало, частично прозрачное зеркало. При вводе излучения в структуру под малым углом оно преобразуется в медленную поверхностную электромагнитную волну и начинает распространяться по спиральной траектории вдоль поверхности волновода. Необходимым условием для реализации усиления в полупроводниковой структуре является обеспечение согласования фазовой скорости поверхностной электромагнитной волны и дрейфовой волны скорости тока. В этом случае реализуется эффективная перекачка энергии от токовой к электромагнитной волне. Предлагаемая модель усилителя оптических лазерных импульсов обеспечивает эффективное усиление в инфракрасном диапазоне. Практически во всем рассматриваемом диапазоне частот инкремент усиления преобладает над декрементом затухания. Величины коэффициентов усиления могут достигать значений G≈0.9⋅10⁶ м^-1.

Description

Полезная модель относится к области физики лазеров, в частности к созданию новых перспективных полупроводниковых усилителей оптического диапазона.

Разработка полупроводниковых усилителей и генераторов оптического диапазона с улучшенными энергетическими характеристиками всегда является актуальной задачей для современной физики лазеров. Подобные устройства в дальнейшем могут найти применение в целом ряде технических приложений. Реализовать усиление электромагнитного излучения при его распространении в активной среде возможно, например, используя механизм, основанный на эффективном взаимодействии электромагнитного излучения с волной пространственного заряда, распространяющейся в объеме полупроводника.

К настоящему времени было рассмотрено распространение волн пространственного заряда в волноводах на основе легированных n-GaAs без усиления и поглощения. Также исследованы режимы усиления и генерации оптических волн для случая внешней оптической накачки [Panyaev I., Zolotovskii I., Sannikov D. Opt. Comm., 459, 125026 (2020)]. Выявлено, что волна пространственного заряда образует периодическую решетку и играет роль распределенной обратной связи для прямой и обратной волн с разными частотами. Кроме того предложен механизм прямого усиления дрейфовыми токами поверхностных мод, распространяющихся на поверхности цилиндрического волновода, изготовленного на основе непрямозонного легированного кремния [Abramov A.S., Zolotovskii I. О., Kadochkin A. S., Moiseev S. G., Sannikov D. G., Svetukhin V. V., Yavtushenko M. S., Fotiadi A. A. JOSA B, 37,2314 (2020)]. При этом усиление в соответствующей волноводной структуре может осуществляться в широком спектральном диапазоне: от дальнего инфракрасного до видимого диапазона включительно. Выявлено, что в ближнем ИК-диапазоне инкремент усиления может превышать потери на величину свыше 10³ см^-1.

Проанализированы условия усиления поверхностной волны, реализуемые за счет токовой накачки и формирования волны пространственного заряда в прямозонной полупроводниковой структуре. Соответствующие полупроводниковые волноводы также могут быть использованы для создания на их основе генераторов ультракоротких импульсов, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне.

Известно устройство для усиления оптического излучения на основе полупроводниковой многослойной структуры [Слипченко С.О., Тарасов И. С, Пихтин Н. А., Подоскин А. А. Полупроводниковый усилитель оптического излучения. Патент RU 2539117 от 01.10.2015]. Устройство включает в себя многослойную гетероструктуру, выполненную на подложке n-типа проводимости и состоящую из широкозонных эмиттеров n-типа проводимости и р-типа проводимости, центральный волноводный слой, активную область с квантово-размерным слоем. На внешней стороне подложки и на стороне эмиттера р-типа проводимости расположены омические контакты, которые формируют области усиления, инжекции, поглощения. Технический результат при использовании устройства заключается в обеспечении возможности упрощения технологии процессов, увеличения оптической мощности входного лазерного импульса.

Также известен полупроводниковый усилитель оптического излучения (патент US 2002154393), включающий в себя волновод для основной моды, а также первый и второй многомодовые волноводы. Между основным волноводом, а также между первым и вторым многомодовыми волноводами реализована оптическая связь.

К недостаткам указанных изобретений можно отнести:

1. Сложность конструкции предлагаемых моделей.

2. Большие значения коэффициента усиления не достигаются.

3. Невозможность управления величиной коэффициента усиления в процессе режима работы устройства.

Цель полезной модели: разработать устройство для усиления оптического излучения с улучшенными энергетическими характеристиками и возможностью управления величиной коэффициента усиления для излучения с фиксированной частотой.

Технический результат: реализация эффективного механизма усиления оптического излучения инфракрасного диапазона.

Технический результат достигается за счет использования в качестве активной среды полупроводниковой структуры на основе легированного прямозонного арсенида галлия n-GaAs, в которой за счет внешнего источника реализуется распространяющаяся волна дрейфовых носителей тока.

Предлагаемая полезная модель состоит из следующих конструктивных элементов:

1 - цилиндрический полупроводниковый волновод

2 - устройство ввода

3 - устройство вывода

4 - глухое зеркало (R=1)

5 - частично прозрачное зеркало

6 - внешний источник питания.

Электромагнитное излучение вводится под малым углом в полупроводниковый волновод 1 через устройство ввода 2, в качестве которого может быть использована оптическая призма. Далее излучение преобразуется в медленную поверхностную электромагнитную волну, которая начинает распространяться по спиральной траектории вдоль поверхности волновода. Полупроводниковая структура 1 подключена к внешнему источнику питания 6, в результате чего в объеме полупроводника возникает распространяющаяся дрейфовая волна носителей тока. Причем, на каждом шаге спирали реализуется усиление медленной поверхностной волны. Через устройство вывода 3 усиленная поверхностная волна выводится из полупроводниковой структуры. Далее усиленное излучение попадает на частично прозрачное зеркало 5, через которое малая часть мощности излучения выводится из системы. Другая часть излучения попадает на глухое зеркало 4 и полностью от него отражается, попадая вновь на устройство ввода 2. Далее описанный цикл распространения излучения повторяется большое число раз.

Усиление распространяющегося электромагнитного излучения в предлагаемой полупроводниковой структуре реализуется за счет его эффективного взаимодействия с волной дрейфового тока, которую задает внешний источник питания. При этом обязательным является условие согласования фазовой скорости электромагнитной волны и токовой волны. Данное условие выполняется при введении электромагнитного излучения в полупроводниковую структуру через устройство ввода под некоторым малым углом θ к образующей цилиндрической структуры. После этого вводимое излучение преобразуется в замедленную поверхностную волну и начинает распространяться по спиральной траектории с соответствующей криволинейной координатой. Распространяющаяся поверхностная волна будет иметь продольную и поперечную составляющие волнового вектора.

При синхронизации скоростей результирующее усиление электромагнитной волны в цилиндрической полупроводниковой структуре на единицу длины (вдоль продольного направления) составит

где α_z и γ - коэффициенты усиления и затухания соответственно, ω - круговая частота, β'' - потери энергии в структуре, -плазменная частота полупроводника без учета его диэлектрической проницаемости и зависящая от концентрации электронов - групповая скорость замедляемого светового пучка, приблизительно совпадающая с ее фазовой скоростью , - приведенная плотность энергии поверхностной волны ТМ поляризации, усредненная по времени, - дрейфовая скорость носителей тока примерно совпадающая с фазовой скоростью электромагнитной волны вдоль направления.

Коэффициент усиления не зависит от выбора траектории, при этом затухание будет определяться продольными потерями и зависеть от оптической длины пути в световоде. При скоростях туннелирования замедляемой спиральной волны, меньших чем 10⁵ м/с потери на погонный метр будут преобладать над усилением. Эффективное усиление распространяющейся поверхностной волны вдоль спиральной координаты будет реализовываться при

На фиг.2 представлены зависимости результирующего усиления G от концентрации электронов n₀ в цилиндрической полупроводниковом волноводе при различных значениях параметра замедления оптической волны (кривые 7-10). Видно, что для излучения с фиксированной частотой со возможна перестройка величины усиления в широком диапазоне за счет подаваемого напряжения от внешнего источника. В качестве цилиндрической волноводной структуры был выбран прямозонный легированный арсенид галлия n-GaAs, для которого в ближней инфракрасной области (длина волны λ = 1.55 мкм) показатель преломления составляет n_r ≈ 3.37 [Skauli Т., KuoP. S., VodopyanovK. L., PinguetT. J., LeviO., EyresL. A., HarrisJ. S., Fejer M. M. J. Appl. Phys.,94,6447 (2003)]. Потери энергии в полупроводниковой структуре напрямую зависят от концентрации электронов п₀ и рассчитывались в соответствии с [Ukhanov I.I. Optical properties of semiconductors (Moscow: Nauka, 1977. 368 p].

При малых углах ввода результирующее усиление G может быть нулевым и даже отрицательным (кривая 7), т.е. в структуре потери начинают преобладать над усилением. При этом ярко выраженных максимумов результирующего усиления не наблюдается. Их отсутствие может быть обусловлено как узостью области изменения концентрации, так и большой разницей в эффективной массе носителей, показателях преломления. При этом, чем сильнее замедляется электромагнитная волна в структуре, тем эффективнее реализуется ее усиление (кривая 10).

При некоторых углах ввода результирующее усиление начинает слабо зависеть от концентрации (кривая 8). Для больших значений угла ввода рост концентрации носителей приводит к увеличению результирующего усиления G (кривые 9-10). Максимальное возможное значение G, реализуемое при выбранных параметрах структуры и излучения составляет G ≈ 0.9⋅10⁶ м^-1 (кривая 10). Таким образом, достигаемое значение результирующего коэффициента усиления открывает возможность создания на основе цилиндрических полупроводниковых структур эффективных усилителей электромагнитного излучения, которые накачиваются источником электрического тока.

Таким образом, устройство для усиления оптических импульсов на основе полупроводникового волновода с реализуемой волной пространственного заряда обладает лучшими характеристиками, чем существующие аналоги, прежде всего более высокими значениями коэффициентов усиления и возможностью перестройки величины усиления для фиксированной частоты распространяющейся электромагнитной волны за счет подаваемого управляемого напряжения от внешнего источника.

Claims (1)

1. Устройство для усиления оптических импульсов на основе полупроводникового волновода с реализуемой волной пространственного заряда, включающее в себя цилиндрическую полупроводниковую волноводную структуру, устройства ввода и вывода излучения, с возможностью подключения внешнего источника питания, глухое зеркало, частично прозрачное зеркало, отличающееся тем, что вместо активной среды используется полупроводниковая волноводная структура на основе легированного прямозонного арсенида галлия n-GaAs.