بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تغییرات ضریب شکست و طول موج لیزر نیمرساناي فابري پروي 5 لایه از آلیاژ InGaAsP/InP در اثر اعمال جریان به صورت تئوري بررسی و مدلسازي شده است. پدیدههاي پرشدگی نوار، انقباض گاف انرژي و جذب حامل آزاد بطور موثر در تغییر ضریب شکست و مدلسازي درنظر گرفته شده است. همچنین وابستگی تغییرات طول موج لیزر به پارامترهاي ساختاري مانند طول، ضخامت لایه فعال و ضخامت لایه موجبر و بافر بررسی شده است. بیشترین مقدار تغییر طول موج در حدود 1/7789 نانومتر از محاسبات عددي به دست آمد.
مقدمه
لیزرهاي نیمرساناي کوكپذیر در ارتباطات نوري، اندازه- گیریهاي نوري، فرآیندهاي حسگري و اسپکتروسکپی از اهمیت خاصی برخوردارند. بویژه لیزرهاي نیمرساناي InGaAsP/InP که طول موج عملکرد آنها در ناحیه 1/3 تا 1/55 میکرومتر قرار دارد از عناصر کلیدي در سیستمهاي WDM به شمار میروند.[1] ویژگی کوكپذیري لیزرهاي نیمرسانا از ویژگیهاي مهم این نوع لیزرها است که در مخابرات فیبر نوري و طیفسنجی بسیار کاربرد داشته و اهمیت دارد. اصلیترین روش کوكايپذیري لیزره نیمرسانا روش الکتریکی است که با تغییر جریانتزریقیالکتریکی صورت میگیرد.[2] سازوکار این روش به این شکل است که با تغییر جریان الکتریکی تزریقی، غلظت الکترون و حفره در ناحیهي فعال لیزر و در نتیجه ضریب شکست و ضریب جذب در این ناحیه تغییر میکند.
با توجه به وابستگی طول موج نوسانی لیزر به ضریب شکست و ضریب جذب ناحیهي فعال، کوك پذیري طول موج خروجی لیزر امکان پذیر خواهد بود. پدیدههاي موثر در تغیر ضریب جذب و ضریب شکست در اثر تغییر غلظت حفرهها و الکترونها، پدیدههاي پرشدگی نوار،1BF، انقباض گاف انرژي،2BGS و جذب حامل آزاد، 3FCA، میباشد که در بخش بعدي مقاله بطور مختصر توضیح داده خواهد شد .[3]
در این مقاله تغییرات طول موج نوسان یک لیزر نیمرسانايلایه 5 از آلیاژ InGaAsP/InP با در نظر گرفتن سه پدیده مذکور و وابستگی میزان تغییرات طول موج به ضخامت لایهي فعال، طول کاواك و
ضخامت لایه هاي موجبر به طور نظري بررسی شده است. نتایج عددي با استفاده از حل همزمان معادله نرخ حاملها و فوتونها در حالت پایدار و با در نظر گرفتن وابستگی چگالی حامل به میزان جریان تزریقی و با نرمافزار MATLAB انجام شده است.
تئوري و مدل فیزیکی
در صورتی که چگالی حاملهاي آزاد تزریقی در نیمرسانا زیاد باشد، همپوشانی تابع موج الکترونها در نوار رسانش و حفرهها در نوار ظرفیت و همچنین دفع کولنی بارهاي همنام، سبب میشود که انرژي لبه نوار رسانش و نوار ظرفیت تغییر کند. جمع این اثرات پدیده BSH را ایجاد میکند. در این رابطه چگالی الکترونهاي آزاد یا حفرهپارامتر¬ها، تناسب cr چگالی بحرانی حاملهاي آزاد و s ثابت دي¬الکتریک استاتیک نامیده میشود. معادله 6 در شرایطی که چگالی حامل¬ها زیاد است استفاده میشود.
که در آن c سرعت نور، h ثابت پلانک، P مقدار اصلی انتگرالو E انرژي فوتون است. تغییر ضریب شکست از طریق جذب حامل آزاد و مربوط به پدیده FCA از رابطهي زیر به دست میآید:[3]
با جمع هر سه اثرBF، BGS و FCA میتوان تغییرات ضریب شکست را براي لیزر به دست آورد. محاسبات در این مقاله براي مادهي فعال InGaAsyP1-y با طول موجشکاف0=1.3 m و انرژي Eg=0.9612 ev و y=0.6 انجام شده است. طول موج نوسانی لیزر طبق رابطه زیر با تغییر ضریب شکست تغییر میکند: در این رابطه 0 طول موج اصلی ساختار در فضاي آزاد، neff ضریب شکست موثر ساختار که با روش ضریب شکست موثر در موجبرها به دست میآید [4] و n تغییرات ضریب شکست ناشی از سه اثر ذکر شده در بالا است. معادله نرخ حاملها و فوتونها به شکل زیر بیان میشود:
که در آن N چگالی الکترون¬ها در نوار رسانش، S چگالی فوتون¬ها، J چگالی جریان تزریقی، e بار الکتریکی الکترون، d ضخامت لایه فعال، vg سرعت گروه، an ضریب دیفرانسیلی بهره، Nt چگالی حامل در شرایط شفافیت، N طول عمر حامل،طول ph عمر فوتون و sp ضریب گسیلمحاسباتخودبهخود است. عددي به ازاي مقدارهاي مختلف جریان تزریقی انجام شده است. ابتدا چگالی حاملهاي الکتریکی از حل همزمان معادلههاي نرخ بدست میآید سپس با استفاده از رابطههاي 5 و 8 تغییرات ضریب جذب مربوط به دو پدیده BGS BF و از رابطه 9 تغییرات ضریب شکست مربوط به این دو پدیده بدست میآیند. تغییر ضریب-شکست مربوط به پدیده FCA نیز از رابطه 10 و در نهایت تغییر طول موج از رابطه 11 محاسبه میشود. محاسبه عددي در مقاله با استفاده از نرمافزار MATLAB انجام شده است. مقدار عددي بقیه ضرایب ثابت در محاسبات از [3] گرفته شده است.
بررسی نتایج
طرح سادهاي از یک لیزر نیمرساناي فابري-پروي 5 لایهو مشخصات لایهها در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل d ترتیبو h t به ضخامت لایهي فعال و ضخامتبالا لایه موجبر کاواك و پایین و طول L میباشد. در شکل 2 تغییرات طول موج بر حسب جریان براي چند طول مختلف کاواك نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود با افزایش جریان تغییرات طول موج افزایش یافته که علت آن افزایش آن تغییرات چگالی حاملها و ضریب شکست با افزایش جریان است. این تغییرات براي طولهاي بزرگتر بیشتر است. شکل:1 طرح سادهاي از یک لیزر نیمرساناي فابري-پروي 5 لایه شکل :2 تغییرات طولموج بر حسب جریان براي طولهاي مختلف کاواك. در شکل 3 تغییرات طول موج بر حسب جریان براي چند ساختار با ضخامتهاي مختلف لایه فعال نشانشکلداده شده است. در این نیز مشابه نمودارهاي شکل 2، با افزایش جریان تغییرات طول موج افزایش مییابد.
شکل :3 تغییرات طولموج بر حسب جریان براي ضخامتهاي مختلف لایهي فعال. محاسبههاي مشابه براي ساختارهایی با ضخامت موجبرهاي بالا و پایین متفاوت نیز انجام گرفته و نتایج در شکلهاي 4 و 5 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود نتایج ارائه شده درنمودارهاي شکلهاي 4 و 5 مشابه نتایج نمودارهاي شکلهايو 2 3 میباشد. از طرفی تغییرات طول موج به مقدار ضخامت موجبر پایین چندان وابسته نیست. بررسی و تحلیل دقیقتر وابستگی
