1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2018-23-3-217-229621.373.826Фундаментальные исследованияStudy on Carrier Transport in Injection Laser with Frequency Modulation of Optical RadiationИсследование транспорта носителей заряда в инжекционном лазере с частотной модуляцией оптического излучения217229http://ivuz-e.ru/en/issues/3-_2018/issledovanie_transporta_nositeley_zaryada_v_inzhektsionnom_lazere_s_chastotnoy_modulyatsiey_optiches/http://ivuz-e.ru/en/download/3_2018_2190_en.pdf

The conventional metal connections cease to meet the growing demands of the quality of information transmission, speed and noise immunity. This is especially acute in the inter-core connections of ultra-large scale integrated circuits. One of the promising methods in solving this problem is using the integrated optical switching systems on the bases of the injection lasers with functionally integrated optical radiation modulators. The injection lasers enable the modulation of laser radiation by subpicosecond control pulses at the time-constant pump current and realization of sources and modulators of optical radiation in a single AB nanoheterostructure with heterojunctions of the second type. In this study the transport of the charge carriers in a functionally integrated laser modulator with internal frequency modulation of the generated optical radiation using the proposed two-dimensional diffusion-drift model and the numerical simulation technique has been studied. The results of numerical modeling of the charge carriers transport processes in a laser modulator have been obtained when the pump current is switched on and the control voltage is pulsed. The results of numerical simulation of the transient processes take into account the structural features, transport effects, the mechanisms of simulated and spontaneous radiative recombination, and the lifetime of photons. It has been shown that the maximum modulation frequency of laser modulation is determined by the subpicosecond time of the controlled spatial relocation of the charge carrier density maximums in the quantum wells of the laser modulator and the photon lifetime in a resonant cavity and corresponds to the terahertz range. To increase the maximum modulation frequency, it is necessary to decrease the photon lifetime in the active region of the laser-modulator to values less than 3 ps. The proposed model and numerical modeling technique allow the optimization of the parameters of the functionally integrated laser-modulator and providing the required values of the maximum modulation frequency of optical radiation, the modulation factor and the threshold pump current density.

Один из перспективных подходов к решению проблемы повышения эффективности межэлементных соединений - использование интегральных систем оптической коммутации, основными элементами которых являются инжекционные лазеры с функционально-интегрированными модуляторами оптического излучения. Инжекционные лазеры обеспечивают возможность модуляции лазерного излучения субпикосекундными управляющими импульсами при неизменном во времени токе накачки и реализацию источников и модуляторов оптического излучения в единой наногетероструктуре AB с гетеропереходами второго типа. В работе исследован транспорт носителей заряда в функционально-интегрированном лазере-модуляторе с внутренней частотной модуляцией генерируемого оптического излучения с использованием двухмерной диффузионно-дрейфовой модели и методики численного моделирования. Полученные результаты численного моделирования процессов транспорта носителей заряда в лазере-модуляторе при включении тока накачки и импульсном изменении управляющего напряжения учитывают структурные особенности, транспортные эффекты, механизмы стимулированной и спонтанной излучательной рекомбинации, а также время жизни фотонов. Показано, что максимальная частота модуляции лазерного излучения определяется субпикосекундным временем управляемой передислокации максимумов плотности носителей заряда в квантовых областях лазера-модулятора и временем жизни фотонов в резонаторе и соответствует терагерцовому диапазону. Для повышения максимальной частоты модуляции необходимо уменьшать время жизни фотонов в активной области лазера-модулятора до значений менее 3 пс, изменяя соответствующим образом параметры резонатора. Предложенные модель и методика численного моделирования позволяют оптимизировать параметры функционально интегрированного лазера-модулятора и обеспечить требуемое соотношение максимальной частоты модуляции оптического излучения, коэффициента модуляции и пороговой плотности тока накачки.

 Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser / A.W. Fang, H. Park, O. Cohen et al. // Optics Express. – 2006. – Vol. 14. – No. 20. – P. 9203–9210.Болховитянов Ю.Б., Пчеляков О.П. Эпитаксия GaAs на кремниевых подложках: современное состояние исследований и разработок // Успехи физических наук. – 2008. – Т. 178. – № 5. – С. 459–480.Ozyazici M.S. The complete electrical equivalent circuit of a double heterojunction laser diode using scattering parameters // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. – 2004. – Vol. 6. – No. 4. – P. 1243–1253.Малышев В.А. Основы квантовой электроники и лазерной техники. – М.: Высшая школа, 2005. – 543 с.Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Метод построения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС // Изв. ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4(117). – С. 21 – 27.Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Вестник Южного научного центра РАН. – 2010. – Т. 6. – № 3. – С. 5–11.Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Патент РФ № 2400000. – 2010. – Бюл. № 26. – 8 с.Konoplev B.G., Ryndin E.A., Denisenko M.A. Components of integrated microwave circuits based on complementary coupled quantum regions // Russian Microelectronics. – 2015. – Vol. 44. – No. 3. – P. 190–196.Konoplev B.G., Ryndin E.A., Denisenko M.A. Injection laser with a functionally integrated frequency modulator based on spatially shifted quantum wells // Technical Physics Letters. – 2013. – Vol. 39. – No. 11. – P. 986–989.Ryndin E.A., Denisenko M.A. A Functionally integrated injection laser-modulator with the radiation frequency modulation // Russian Microelectronics. – 2013. – Vol. 42. – No. 6. – P. 360–362.Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Интегральный инжекционный лазер с модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Патент РФ № 2520947. – 2014. – Бюл. № 18. – 10 с.Горбацевич А.А., Капаев В.В., Копаев Ю.В., Кремлев В.Я. Квантовые приборы на основе передислокации волновых функций в гетероструктурах // Микроэлектроника. – 1994. – Т. 23. – № 5. – С. 17–26.Gorbatsevich A.A., Kapaev V.V., Kopaev Yu.V., Kremlev V.Ya. Wave-function-rearrangement quantum devices // Phys. Low-Dim. Struct. – 1994. – No. 4/5. – P. 57–62.Konoplev B.G., Ryndin E.A. A study of the transport of charge carriers in coupled quantum regions // Semiconductors. – 2008. – Vol. 42. – No. 13. – P. 1462–1468.Рындин Е.А., Денисенко М.А. Модель функционально-интегрированных инжекционных лазеров-модуляторов для интегральных систем оптической коммутации // Изв. вузов. Электроника. – 2012. – № 6 (98). – С. 26–35.Минкин В.И. Бистабильные органические, металлоорганические и координационные соединения для молекулярной электроники и спинтроники // Изв. АН. Серия химическая. – 2008. – № 4. – C. 673–703.Абрамов И.И. Проблемы и принципы физики и моделирования приборных структур микро- и наноэлектроники. Часть II. Модели полуклассического подхода // Нано- и микросистемная техника. – 2006. – № 9. – С. 26–36.Konoplev B.G., Ryndin E.A., Denisenko M.A. Diffusion-drift model of the transport of charge carriers and photons in injection lasers // Technical Physics Letters. – 2015. – Vol. 41. – No. 6. – P. 587–590.Zarifkar A., Ansari L., Moravvej-Farshi M.K. An equivalent circuit model for analyzing separate confinement heterostructure quantum well laser diodes including chirp and carrier transport effects // Fiber and Integrated Optics. – 2009. – No. 28. – P. 249–267.Palankovski V., Quay R. Analysis and simulation of heterostructure devices. – Wien: Springer-Verlag, 2004. – 289 p.