WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 9 06;07 Генерация излучения на разностной частоте среднего и дальнего инфракрасных диапазонов в полупроводниковых волноводах на основе фосфида галлия © В.Я. Алешкин,1 А.А. Афоненко,2 А.А. Дубинов1 1 Институт физики микроструктур РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия e-mail: sanya@ipm.sci-nnov.ru 2 Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия (Поступило в Редакцию 31 октября 2005 г.) Рассмотрена возможность эффективной генерации излучения на разностной частоте среднего и дальнего ИК-диапазонов при выполнении условия фазового синхронизма между волной нелинейной поляризации и разностной модой при распространении в полупроводниковом волноводе на основе фосфида галлия (GaP) двух фундаментальных мод в диапазоне 1 µm. В планарном волноводе с шириной 100 µm при мощностях коротковолновых мод 10 W мощность разностной моды может достигать до 300 µWв области частот 1-8 THz при комнатной температуре. При использовании подложки из кремния для структуры с GaP-волноводом мощность разностной моды при тех же условиях может достигать до 5 mW в области частот 10-14 THz.

PACS: 42.55.Dx Несмотря на то что компактные источники излучения ИК-диапазона) большой амплитуды и разницы частот, в терагерцовом диапазоне частот в настоящее время лежащей в окрестности частоты поперечного оптичеочень востребованы для различных нужд, количество ского фонона. Зависимость тензора нелинейной диэлектаких источников мало. Полупроводниковые лазеры трической проницаемости второго порядка от частоты традиционных конструкций могут излучать только в волн, воздействующих на среду, в полупроводниках ближнем инфракрасном (ИК) и видимом диапазоне A3B3 была рассмотрена в работе [3]. Из всей группы частот вследствие увеличения роли безызлучательной полупроводников A3B5 наиболее подходящим видится Оже-рекомбинации при использовании полупроводников использование в качестве нелинейного элемента GaP, с малой шириной запрещенной зоны. На сегодняшний так как он обладает достаточно большой решеточной день наиболее значительные результаты достигнуты в нелинейностью второго порядка [4]. Кроме того, для области создания квантовых каскадных полупроводни- эффективной параметрической генерации необходимо ковых лазеров [1]. Однако чрезвычайно сложная зонная выполнение условия фазового синхронизма, заключасхема каскадных структур и высокие требования по ющегося в равенстве фазовых скоростей волны неликонтролю параметров сдерживают их распространение нейной поляризации, возникающие при взаимодействии и использование. мод ближнего ИК-диапазона из-за решеточной нелинейАльтернативным выходом из этой сложной ситуа- ности и разностной моды. Для генерации излучения в ции является отказ от создания инверсии населенно- дальнем ИК-диапазоне условие фазового синхронизма может быть выполнено в обычном диэлектрическом стей близлежащих межзонных и внутризонных уровней и разработка безынверсных схем генерации, в кото- волноводе на основе GaP, в котором смешиваются две коротковолновые моды в области длины волны 1 µm, без рых дальнее или среднее ИК-излучение создавалось бы вследствие квадратичной нелинейности полупровод- сложных конструкций, необходимых при использовании волновода на основе GaAs [5–8]. Причина этого состоит никовой структуры благодаря выделению разностной частоты = 2-1 при смешивании двух полей на в том, что в GaP частотная дисперсия в области длин частотах 1, 2 ближнего ИК-диапазона. Отметим, что в волн около 1 µm из-за значительного удаления от края настоящее время наиболее мощные полупроводниковые собственного поглощения небольшая, и групповой полазеры генерируют излучение именно в области длины казатель преломления (ng = 3.3-3.5), а вместе с ним волны 1 µm [2]. и эффективный показатель преломления нелинейной поляризации nnl =(n22-n11)/(2-1) оказываются Природа решеточной нелинейной восприимчивости значительно меньше, чем в GaAs, где ng 4 (рис. 1).

второго порядка полярных полупроводников A3B5 — ангармоничность оптических колебаний решетки, по- Волновод для коротковолнового излучения можно этому имеется резонанс нелинейной восприимчивости сформировать путем заключения слоя GaP в слои AlGaP при воздействии двух коротковолновых волн (ближнего с меньшим показателем преломления. AlGaP достаГенерация излучения на разностной частоте среднего и дальнего инфракрасных диапазонов... лагаемого способа является то, что для возбуждения разностной длинноволновой моды предлагается использование двух фундаментальных коротковолновых мод на частотах 1, 2, и поэтому интеграл перекрытия в поперечном направлении коротковолновых мод не мал (коротковолновые моды не ортогональны).

В случае, когда структура волновода (рис. 2) выращена на плоскости (001), а высокочастотные моды имеют TE-поляризацию и распространяются вдоль направления [110], нелинейная поляризация в GaP перпендикулярна плоскости слоев в возбуждает на разностной частоте TM-моду (как в GaAs) [5]. В материалах со структурой цинковой обманки тензор нелинейной диэлектрической проницаемости второго порядка имеет равные и отличные от нуля компоненты с тре(2) Рис. 1. Частотные зависимости эффективного показателя премя разными индексами [9] xyz (в системе координат, ломления для нелинейной поляризации при взаимодействии где оси X, Y, Z направлены вдоль кристаллографичевысокочастотных волн в GaP при 1 = 0.95 (1) и 0.97 µm (3) ских направлений [100], [010], [001] соответственно).

и показателей преломления GaP (2) и Si (4).

Коодринатная зависимость напряженности магнитного поля генерируемой волны Hy при этом находится из следующего уравнения:

d 1 dHy (z, ) + (z, ) - k2 Hy dz (z, ) dz c2 x kx (2) = -2xyz A1 (z ) A2(z ). (1) c Координатная зависимость амплитуд электрического поля коротковолновых мод A1, A2 и разность их постоянных распространения kx = k2-k1 находятся путем решения волнового уравнения с соответствующим профилем показателя преломления [5]. Компонента электрического поля разностной моды Ez и ее мощность определяются из равенств:

1 ckx Ez = - Hy + 2(2)A1 (z )A2(z ) Рис. 2. Зависимости от координаты напряженности маг(z, ) нитного поля разностной моды (сплошная кривая), а также показателя преломления n (штриховая кривая на вставке) на и частоте 1.8 THz для рассматриваемой структуры. Пунктирной cLy линией на вставке показана амплитуда высокочастотных мод в P = - Re(Hy Ez )dz. (2) условных единицах. Слой 1 — воздух, 2 и 4 —GaP, 3 и 5 — AlP, 6 — металл. Толщина слоя 2 — 300; 3, 4 и 5 —0.8 µm. На В расчетах использовались показатели преломления вставке изображена область волновода для коротковолновых мод. GaP и AlP от частоты для коротковолновых мод из работы [4]. Диэлектические проницаемости слоев в среднем и дальнем ИК-диапазонах вычислялись по формуле (26) из работы [10] с использованием данных [4]. Зависимость точно хорошо согласован по размеру решетки с GaP модуля компоненты тензора нелинейной восприимчиво(aGaP = 0.54506 nm, aAlP = 0.54635 nm) [4]. Волноводом сти второго порядка GaP описывалась формулой (3.47) же для излучения дальнего ИК-диапазона может слуработы [3] и изображена на рис. 3 и 4.

жить достаточно толстая полуизолирующая подложка Результаты расчетов мощности разностной моды для GaP, примыкающая к одному обкладочному слою AlGaP.

предложенной структуры при мощности генерации коДля увеличения амплитуды разностной моды в области ротковолновых мод 10 W в диапазоне 0.95 µm представнелинейного взаимодействия мод целесообразно нане- лены на рис. 3. В расчетах наибольшая длина волны сти металл на поверхность другого обкладочного слоя (1) для коротковолновых мод фиксировалась, при этом AlGaP, тем самым создав условия для возбуждения изменение длины волны разностной моды достигалось за поверхностной плазмонной моды. Преимуществом пред- счет изменения длины волны другой коротковолновой 7 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 100 В.Я. Алешкин, А.А. Афоненко, А.А. Дубинов Так как постоянная решетки у Si (aSi = 0.5431 nm) близка по величине к постоянной решетки GaP (aGaP = 0.54506 nm) [4], то возможен рост GaP на кремниевой подложке [11]. При этом показатель преломления в кремнии для среднего и дальнего ИК-диапазона больше, чем в GaP, поэтому условие фазового синхронизма выполняется и при использовании диэлектрического волновода в среднем ИК-диапазоне. Кроме того, в нелегированном кремнии поглощение излучения в среднем и дальнем ИК-диапазонах мало, поэтому мощности, которые можно получить, значительно больше (рис. 4).

Действительно, разностная волна будет распространяться в основном в кремниевой подложке, а взаимодействие высокочастотных мод будет происходить в выращенном Рис. 3. Зависимость мощности разностной моды для струкна ней волноводе на основе GaP.

туры на подложке из GaP (сплошная кривая, 1 = 0.95 µm), а также зависимость модуля компоненты тензора нелинейной Расчет, выполненный с использованием формул (1) (2) восприимчивости GaP xyz (штриховая кривая) от частоты и (2) показал, что в планарном волноводе с шириной разностной моды.

100 µm на подложке из Si при мощностях коротковолновых мод 10 W мощность разностной моды может достигать до 5 mW в области частот 10-14 THz, до 100 µWв области частот 3-8 THz и до 0.5 mW в области частоты 19 THz при комнатной температуре.

Работа выполнена в рамках проектов: РФФИ № 04-02-17432, CRDF #RUE1-2657-NN-05, программ президиума РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“ и „Электромагнитные волны терагерцового диапазона“, программы ОФН РАН „Полупроводниковые лазеры“, МНТЦ (№ 2293) и Фонда содействия отечественной науке.

Список литературы [1] Kohler R., Tredicucci A., Beltram F. et al. // Nature. 2002.

Рис. 4. Зависимость мощности разностной моды для струкVol. 417. P. 156–159.

туры на подложке из Si (сплошная кривая, 1 = 0.97 µm), а [2] Слипченко С.О., Винокуров Д.А., Пихтин Н.А. и др. // также зависимость модуля компоненты тензора нелинейной ФТП. 2004. Т. 38. Вып. 12. С. 1477–1486.

(2) восприимчивости GaP xyz (штриховая кривая) от частоты [3] Flytzanis C. // Phys. Rev. B. 1972. Vol. 6. N 4. P. 1264–1290.

разностной моды.

[4] Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. SpringerVerlag, 2003. 692 p.

[5] Алешкин В.Я., Афоненко А.А., Звонков Н.Б. // ФТП. 2001.

Т. 35. Вып. 10. С. 1256–1260.

моды. Зависимость мощности от частоты разностной [6] Афоненко А.А., Алешкин В.Я., Дубинов А.А. // ФТП. 2004.

моды имеет большое число резонансных пиков, каждый Т. 38. Вып. 2. С. 244–248.

из них соответствует моде волновода, что связано с [7] Алешкин В.Я., Афоненко А.А., Дубинов А.А. // ЖТФ. 2004.

Т. 74. Вып. 11. С. 92–96.

большой шириной волновода (околов 300 µm). Из рисун[8] Afonenko A.A., Aleshkin V.Ya., Dubinov A.A. // Semicond. Sci.

ка видно, что максимальная мощность в такой структуре Technol. 2005. Vol. 20. P. 357–362.

будет только в дальнем ИК-диапазоне излучения. Как [9] Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григовидно из рис. 3, нелинейная проницаемость очень мала рьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

в районе 8.5 THz, поэтому и мощность на разностной [10] Blakemore J.S. // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53. N 10. P. R123– частоте в этом диапазоне имеет провал. В области R181.

среднего ИК-диапазона, где нелинейная проницаемость [11] Soga T., Suzuki T., Mori M. et al. // J. Crystal Growth. 1993.

имеет максимум, также велико и поглощение излучеVol. 132. P. 414–418.

ния разностной моды на фононах, поэтому мощность намного меньше, чем в дальнем ИК-диапазоне. А в более коротковолновой области среднего ИК-диапазона уже не выполняется условие фазового синхронизма при использовании диэлектрического волновода.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.