Электродинамические исследования излучателей на квантовых точках для волоконно-оптических систем связи и других применений

Электродинамические исследования излучателей на квантовых точках для волоконно-оптических систем связи и других применений

Ключевые слова: излучатели оптического диапазона длин волн, объёмные резонаторы, стабилизирующие резонаторы, виды колебаний, квантовые точки, нити, звёздочки и колечки, программа НГвв.

Рассматриваются возможности создания оптических излучателей, использующих электродинамические системы, аналогичные сверхвысокочастотным стабилизированным резонаторам с видами колебаний Н011, обеспечивающих наиболее высокие собственные добротности. В качестве активных элементов предлагается использовать квантовые нити и точки в виде массивов, образующих квантовые звездочки, колечки и т.п. Приводятся результаты электродинамических исследований, выполненных с помощью программных средств НББ, позволяющих не только рассчитать параметры многорезонаторных систем, но и наглядно показать в презентации пульсирующие иллюстрации электромагнитных полей, излучаемых квантовыми звездочками и колечками. Представленные варианты излучателей могут быть применены как в волоконно-оптических системах связи, так и в цветных дисплеях с высокой разрешающей способностью и для создания эффективных светодиодных модулей.

Гутцайт Э.М.,

д.т.н., профессор кафедры Светотехники НИУ МЭИ Курушин А.А.,

к.т.н., доцент кафедры Антенных устройств и распространения радиоволн (АУиРРВ) НИУ МЭИ

Введение

Полупроводниковые излучатели для волоконно-оптических систем связи обстоятельно рассмотрены в книге Ф.Е. Шуберта [1], где две главы посвящены светодиодам (СД) с объемными резонаторами (ОР) и обсуждаются их преимущества в сравнении с обычными СД. Например, отмечается, что интенсивность спонтанного излучения СД при использовании высокодобротного ОР увеличивается на порядок за счет сужения спектра люминесценции. Кроме того, улучшается спектральная чистота и повышается направленность, а также температурная стабильность излучения. Обращается внимание на обеспечение высокой эффективности связи СД с оптоволокном. При проектировании СД с ОР рекомендуется использовать резонаторы с наименьшей длиной, возбуждаемые на фундаментальном виде колебаний, и имеющие наиболее высокую собственную добротность, т.е. наименьшее поглощение (потери) в резонаторе.

В [1 ] представлены реальные устройства СД с ОР применяемые в волоконно-оптических системах связи в инфракрасном диапазоне на длинах волн 930 и 650 нм. В них используются гетероструктуры, содержащие множественные квантовые ямы (КЯ) в активной области, расположенной в пучности стоячей волны в полуволновом резонаторе, образованном многослойными зеркалами Брэгга. В таких ОР, имеющих размеры, значительно превышающие длину волны, невозможно использовать наиболее эффективные низшие виды колебаний.

В отличие от [1] в наших работах [2-4] вместо резонаторов лазерного типа с зеркалами Брэгга предлагаются традиционные электродинамические системы, используемые в электронных приборах СВЧ, поскольку современные достижения нанотехнологии позволяют использовать богатый опыт техники СВЧ при создании приборов оптического диапазона длин волн на основе ОР с квантовыми нитями и точками (КН и КТ). Отметим также, что из работы [5] следует, что в принципе могут быть использованы КТ из ^аЫ в матрице GаN или АЮаЫ.

Настоящее сообщение является продолжением и развитием работ [2-4], в которых были рассмотрены возможности использования КТ и КН в четвертьволновых резонаторных системах со стабилизирующими резонаторами (СР).

Аналоги коаксиальных магнетронов с квантовыми нитями на ламелях

В [2-4] представлены примеры использования наиболее высокодобротных СР, основанных на уникальной особенности волны типа Н01 в круглом волноводе, при распространении которой потери в стенках волновода малы, поскольку их зависимость от частоты имеет аномальный характер. Из техники СВЧ известно, что СР на видах колебаний Н011, используемые в коаксиальных магнетронах, дают увеличение собственной добротности многорезонаторной системы почти на порядок [6]. В связи с этим предлагается использовать идеи, реализованные в обращенно-коаксиальных и торцевых стабилизированных магнетронах (ОКМ и ТСМ), для создания наноразмерных излучателей.

Один из этих вариантов относится к излучателю кругового действия, который можно представить, как аналог ОКМ. Так, на рис. 1 а приведена схема излучателя в виде обращенной системы ламельно-го типа, возбуждаемой на п-виде колебаний и связанной с азиму-

Рис. 1. Излучатель кругового действия — аналог ОКМ

48

T-Comm, #10-2012

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Таблица 1

Размеры (в нм) излучателя, представленного на рис. 2а

Таблица 2

Размеры (в нм) излучателя, представленного на рис. 2б

Цвет Длина волны Очо До А і ІІ2 Ас

Синий 460 340 800 660 185 700

Красный 640 480 1100 910 255 1000

Цвет Длина волны Очо А. (/ А і Й2 А,

Синий 460 340 680 100 555 370 1360

Красный 640 480 960 140 750 755 1920

тально-симметричным видом Н011 во внутреннем цилиндрическом резонаторе с помощью щелей связи ЩС, расположенных через один резонатор. Там же показаны электрические (сплошные) и магнитные (штриховые) силовые линии Е и Н. На концах ламелей Л тоже через одну ламель расположены КН длиной не более ширины ламели. Размеры ламелей в ширину и длину составляют менее четверти длины волны Я/4) излучаемых колебаний, а расчетные длины Ь полуволновых СР с синими, зелеными и красными КН при одинаковых диаметрах резонаторов D = 900 нм получаются равными 290, 370 и 620 нм. Для обеспечения направленного излучения этот круговой излучатель можно расположить на входе параболического отражателя с диаметром выходного отверстия около 15 мкм.

Другой вариант, приведенный на рис. 1 б, представляет собой осевой излучатель как аналог ТСМ. В отличие от кругового излучателя здесь ламели и щели находятся на торцевой поверхности СР с видом колебаний Н0] 1. На концах ламелей (четных или нечетных) расположены КН одного цвета. И такие радиальные КН на торцевой поверхности могут восприниматься как "квантовые звездочки".

Многорезонаторные системы с квантовыми колечками

Можно представить и более простые устройства светодиодных излучателей с СР на основе волны Н0]. Например, на рис. 2 схематически показаны излучатели с КТ. Излучающими элементами здесь являются КТ, которые могут быть расположены хаотически в своей матрице (М), но для более эффективного их использования желательно, чтобы они были сосредоточены в кольце максимума электрического поля. Для этого полупроводниковая структура с КТ может

быть изготовлена в виде кольца. Такое кольцо с КТ будет восприниматься как излучающее "квантовое колечко" (КК).

В излучателе, схематически представленном на рис. 2а, используется несколько четвертьволновых цилиндрических резонаторов из круглых волноводов (например, четыре) при синфазных колебаниях видов Н11р и СР на основе полуволнового цилиндрического резонатора с видом Н01 п (показаны силовые линии вида колебаний Н012).

Четвертьволновые резонаторы (ЧР) возбуждаются на низшем виде колебаний Н110,5 и имеют диаметры, не допускающие возникновение высших ("паразитных") видов. Расчетные размеры резонаторов для синих и красных КК в соответствии с обозначениями на рис. 2а приведены в табл. 1.

При необходимости размеры матрицы с КТ могут быть сущзст-венно увеличены. Для этого предлагается устройство излучателя, схематически представленного на рис. 2б, в котором используется коаксиальный СР, возбуждаемый на виде колебаний Н011 и расположенный внутри многорезонаторной системы, состоящей из цилиндрических ЧР с видами колебаний Н111,5. На рис. 2б показаны 8 резонаторов с противофазными колебаниями при связи с СР через один ЧР. Над этими резонаторами расположена дисковая матрица (ДМ) с КТ. Расчетные размеры резонаторов для синих и красных КТ в соответствии с обозначениями на рис. 2б приведены в табл. 2.

Для обеспечения наиболее эффективной электромагнитной связи между СР и ЧР их размеры следует подобрать таким образом, чтобы отрезки волноводов, из которых получены резонаторы, имели одинаковые критические и соответственно волноводные длины волн, т.е. Ь] = 3/4^в и Ьі2= ^в/2.

Рис. 2. Излучатели с цилиндрическим (а) и коаксиальным (б) стабилизирующими ре-зонаторами

Т-Сотт, #10-2012

49

а) б)

Рис. 3. Иллюстрации электромагнитного излучения от КК, полученные в HFSS

Устройство рассматриваемого излучателя удобно тем, что диаметр матрицы Dм можно увеличивать за счет увеличения количества ЧР. При этом с увеличением диаметра Dср необходимо будет соответственно увеличивать диаметр стержня d для сохранения резонансной частоты.

Излучатели, представленные на рис. 2, были проанализированы в системе ^ББ [7]. Расчетные резонансные характеристики подтверждают возможность увеличения собственной добротности при введении СР Анализ рассмотренных излучателей в системе ^ББ позволяет также получить наглядную пульсирующую иллюстрацию электромагнитного излучения в динамическом режиме. Для примера излучаемые в осевом направлении волны, полученные при анализе излучателей, изображенных на рис. 2, в фиксированный момент времени показаны на рис. 3. На рис. 3а четко просматриваются две вариации электромагнитного поля в СР (ср. с рис. 2а), а на рис. 3б — три четверти волны в периферийных четвертьволновых резонаторах и полволны (одна вариация) в центральном коаксиальном СР (ср. с рис. 2б).

Заключение

Необходимо отметить, что световой поток одного такого нано-размерного излучающего устройства очень мал, и эти излучатели

следует собирать в массив. Каждый излучатель при этом может дополняться отражателем. Такие излучатели могут группироваться, например, в полноцветные (синие, зеленые и красные) триады и применяться в цветных дисплеях с высокой разрешающей способностью. При наличии синих КН и КТ для получения различных оттенков высококачественного белого свечения могут быть использованы многополосные люминофоры.

Предлагаемые светоизлучающие устройства на фиксированной длине волны могут быть подключены непосредственно (без со-бирающзй линзы) к волоконно-оптической линии передачи и обеспечить необходимое согласование с оптоволокном.

Световая отдача излучателя с синими КН в сочетании с желтым люминофором во многом зависит от собственной добротности мно-горезонаторной системы, настроенной на частоту синего цвета. При использовании цветовых триад без люминофоров или при подключении к волоконно-оптической системе связи КПД каждого цветового элемента также существенно зависит от добротности и настройки многорезонаторной системы со стабилизирующим резонатором на длину волны, излучаемую квантовой звездочкой или квантовым колечком.

Рассмотренные варианты излучателей на основе ОР с квантовыми точками, звездочками и колечками ни в коей мере не ограничивают разнообразия этих устройств. Не трудно представить и другие конструктивные варианты оптических излучателей на основе четвертьволновых многорезонаторных систем с другими видами колебаний, в том числе и с разнообразными высокодобротными стабилизирующими резонаторами.

Литература

1. Шуберт Ф.Е Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 496 с.

2. Гутцайт ЭМ. Светодиодные модули на основе электродинамических систем с квантовыми нитями и точками. Светотехника, 2009. — №3. — С. 28-31.

3. ГутцайтЭ.М. Квантовые звездочки на светотехническом небосклоне Светотехника, 2010. — №1. — С. 25-27.

4. Гутцайт ЭМ., Курушин АА Светодиодные модули с электродинамическими системами (перспективы развития на основе нанотехнологических возможностей) // Радиотехника и Электроника, 2010, Т.55, №8. — С. 999-1016.

5. Сизов В.С., Гуткин АА, Сахаров А.В., Лундин В.В., Брунков П.Н., Ца-цульников АФ. Фазовый распад и безызлучательная рекомбинация носителей в активных областях светоизлучающих приборов на основе квантовых точек 1пОзЫ в матрице ОзЫ или АЮзЫ // ФТПП, 2009. — Т.43, вып.6. —С. 836-840.

6. Шлифер ЭД Электровакуумные приборы СВЧ М-типа, коаксиальные и обращенно-коаксиальные магнетроны // Итоги науки и техники. Сер. Электроника. Т.17. — М.: ВИНИТИ, 1985. — С. 169-209.

7. Банков С.Е., Курушин АА Расчет СВЧ структур с помощью ИРББ. — М.: ООО "ОР-КАДА", 2009. — 256 с.

Electrodynamic research emitter quantum dots for fiber-optic communication systems and other applications

Gutzeit E.M., Kurushin A.A.

Abstract

The possibilities of creating optical emitters using electrodynamic system, similar to a microwave resonators with a stabilized oscillation modes H011 providing the highest Q-lactor. As the active elements is proposed to use quantum w'res and dots in the form of arrays, forming a quantum stars, rings, etc. We present the results of electrodynamic studies performed using the software HFSS, allowng not only to calculate the parameters Multiresonator systems, but also to demonstrate in the presentation of images pulsating electromagnetic fields emitted by stars and quantum rings. The options presented are from the emitter can be used as a fiber-optic communication systems, and in color displays wth high resolution and for efficient LED modules.

Keywords. Radiators optical wavelength range, three-dimensional cavity, stabilizing resonators types of oscillations, quantum dots, threads, rings and stars, the program HFSS.

50

T-Comm, #10-2012