4 Оптические модуляторы

Структуры с квантовыми ямами могут использоваться не только для генерации, но и для модуляции светового излучения из области межзонного оптического поглощения. Физической основой эффекта модуляции являются два следующих экспериментальных факта:

• в структурах с квантовыми ямами существуют резкие линии экситонного поглощения, имеющие значительно большую интенсивность, чем в однородных полупроводниках, и наблюдаемые не только при низких, но и при комнатных температурах;

• спектральное положение линий заметно сдвигается при приложении сильного электрического поля перпендикулярно слоям гетероструктуры.

Эти два обстоятельства нуждаются в некоторых пояснениях. Первое обстоятельство связывается с понятием экситона – пары электрон-дырка, неразрывно связанных друг с другом за счет силы кулоновского взаимодействия. При этом электрон находится в зоне проводимости, а дырка – в валентной зоне. За счет совместного движения электрона и дырки экситон может перемещаться по объему полупроводника, не перенося при этом никакого заряда. Потенциальные ямы низкоразмерных квантовых структур, изменяют свойства не только свободных электронов, но и связанных электронах в экситонных состояниях.

Теоретические расчеты на основе уравнения Шредингера показывают, что основное отличие квазидвумерного экситона от экситона трехмерного заключается в увеличении энергии связи экситона в квантовой яме. Для основного состояния изменение составляет 4 раза, т.е. экситонные эффекты в квантово-размерных структурах оказываются значительно сильнее выражены, чем в обычном объемном образце. Поэтому экситонные пики в спектре поглощения таких структур могут наблюдаться вплоть до комнатных температур. Так, для квантовых ям с толщиной порядка 4,6 нм на системе материалов GaAs/AlGaAs такие пики наблюдаются даже при 500 К.

Относительно второго обстоятельства следует отметить, что в однородных полупроводниках электрическое поле разрушает экситоны, растаскивая электрон и дырку в разные стороны. Наличие же квантовой ямы позволяет без вреда для экситона приложить в поперечном направлении достаточно сильное поле, поскольку стенки ямы не дают электрону и дырке возможности разойтись. Поэтому экситонная линия поглощения в поле не исчезает, но ее положение достаточно сильно сдвигается.

Это обуславливается двумя факторами. Во-первых, поле искажает форму самой квантовой ямы, превращая ее из прямоугольной в трапециевидную в соответствие с рисунком 8.

Рисунок 8 – Энергетический спектр квантовой ямы: а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует

При этом меняются энергии квантовых уровней как в зоне проводимости E^e_N, так и в валентной зоне E^h_N, а вместе с ними и эффективная ширина запрещенной зоны:

(3)

Во-вторых, энергия экситона E_EX хотя и не обращается в нуль, как только что было отмечено, но тем не менее зависит от приложенного поля. В результате спектральное положение экситонной линии ω_EX

(4)

оказывается сильно зависящим от напряженности электрического поля Е.

Поскольку экситонная линия в спектре поглощения является весьма резкой, то коэффициент поглощения a_П для света с частотой вблизи этой линии очень сильно меняется при изменении положения линии. Это делает весьма эффективной модуляцию света с помощью приложенного электрического поля. Ожидается, что подобные модуляторы найдут применение в системах оптической передачи информации.