6.3. Абсорбція

Абсорбція – це поглинання речовиною енергії оптичного випромінювання. Фотони світла, які поширюються в будь-якому оптично прозорому матеріалі, взаємодіють з атомами і молекулами цього матеріалу. Ця взаємодія проявляється у збудженні електронів або коливальних станів матеріалу. Якщо відбувається збудження електронів, то останні забирають енергію у фотонів і переходять на вищий енергетичний рівень. Для здійснення такого переходу потрібна достатньо висока енергія, яку мають тільки фотони ультрафіолетової області спектру. При збудженні коливальних станів матеріалу енергія фотонів витрачається на коливання атомів кристалічної ґратки матеріалу. Для збудження таких коливальних резонансів матеріалу потрібна набагато менша ніж у першому випадку енергія. Таку енергію мають фотони інфрачервоного діапазону спектру. У будь-якому випадку, після поглинання фотону відбуваються релаксаційні процеси. Якщо такі процеси проходять без випромінювання світлової енергії, то в такому разі має місце поглинання фотону. В результаті поглинання фотону збільшується теплова енергія матеріалу.

Таким чином, світловий пучок при поширенні в оптичному матеріалі буде втрачати свою потужність не тільки за рахунок розсіяння світлових хвиль, а також і внаслідок поглинання матеріалом фотонів світла. Оптичні втрати, які виникаються внаслідок поглинання фотонів світла матеріалом, називаються втратами на поглинання або абсорбційними втратами. Абсорбція є основним механізмом втрат у хвилеводах з напівпровідникових матеріалів. Оптичні втрати в таких матеріалах пов’язані як правило з міжзонним поглинанням та з поглинанням на вільних носіях.

Міжзонне поглинання – це поглинання, при якому фотони оптичного випромінювання віддають свою енергію електронам валентної зони, внаслідок чого вони здійснюють перехід у зону провідності. Для здійснення такого переходу енергія фотонів повинна бути більша величини забороненої зони н/п матеріалу. Вплив цього ефекту дуже сильний, що приводить до коефіцієнтів поглинання в н/п з прямою забороненою зоною, які більші за 104 см–1. Для уникнення міжзонного поглинання необхідно використовувати довжину хвилі, яка значно довша довжини, яка відповідає краю смуги поглинання н/п матеріалу. Інший метод полягає у зміщенні краю смуги поглинання н/п матеріалу у бік коротких довжин хвиль, тобто у збільшенні ширини забороненої зони, що досягається, наприклад, шляхом додавання Al до GaAs до утворення сполуки Ga(1-x)AlxAs. Даний метод ефективний для сполук елементів III-V i II-VI груп, для яких спостерігається відповідне узгодження кристалічних структур епітаксіальних шарів. Для забезпечення достатнього зсуву краю смуги поглинання, третій елемент у сполуці повинен мати відповідну концентрацію.

Поглинання на вільних носіях, або внутрізонне поглинання, – це поглинання, при якому фотони світла віддають свою енергію електронам, які знаходять в зоні провідності, або діркам, які знаходяться у валентній зоні, переводячи їх на більш високий енергетичний рівень. Як правило, до поглинання на вільних носіях відносять також поглинання, при якому електрони переходять з неглибоких донорних рівнів поблизу дна зони провідності або при якому утворюються дірки у валентній зоні за рахунок переходів електронів на неглибокі акцепторні рівні біля валентної зони.