Бондаренко Дмитро Володимирович удк 621. 373. 826 Моделювання динамічних процесів в електроінжекційних напівпровідникових лазерах спеціальність 05. 09. 05 теоретична електротехніка автореферат
| Вид материала | Автореферат |
- 1 опис засобів моделювання складних динамічних систем, 175.64kb.
- Удк 621. 952. 3, 26.37kb.
- Ударцов Юрій Володимирович теоретико-правові та практичні аспекти прокурорського нагляду, 241.96kb.
- Удк 621. 316: 621. 311. 1 Экономика и организация производства, 95.87kb.
- Постанова президії вак україни від 14., 23.38kb.
- Удк 373 015. 311: 78 Сергій Горбенко технологічний підхід до формування музично-творчої, 227.81kb.
- Дашутін Ігор Володимирович удк 349. 2 Правове регулювання судового захисту трудових, 332.27kb.
- В. М. Корецького мельничук олена Ігорівна удк 341. 24 Статус всесвітньої культурної, 286.11kb.
- Логінова Світлана Миколаївна удк 347. 965 Адвокатська таємниця: теорія І практика спеціальність, 367.31kb.
- Дудка Олександра Олександрівна удк 621. 391. 7 Оцінка захищеності кабельних каналів, 329.36kb.
Бондаренко Дмитро Володимирович. Моделювання динамічних процесів в електроінжекційних напівпровідникових лазерах: дис. канд. техн. наук: 05.09.05 / НАН України; Інститут електродинаміки. - К., 2001. - 199 арк. - Бібліогр.: арк. 173-179.
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ
Бондаренко Дмитро Володимирович
УДК 621.373.826
МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ЕЛЕКТРОІНЖЕКЦІЙНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ЛАЗЕРАХ
Спеціальність 05.09.05 - теоретична електротехніка
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Відділенні комплексних енергетичних систем з відновлювальними джерелами енергії Інституту електродинаміки НАН України, м.Київ.
Науковий керівник — доктор технічних наук, с.н.с., член-кореспондент НАН України Рєзцов Віктор Федорович, завідувач Відділенням комплексних енергетичних систем з відновлювальними джерелами енергії Інституту електродинаміки НАН України, м.Київ.
Офіційні опоненти:
- доктор технічних наук, с.н.с., член-кореспондент НАН України Шидловська Наталія Анатоліївна, провідний науковий співробітник відділу теоретичної електротехніки Інституту електродинаміки НАН України, м.Київ;
- кандидат технічних наук Сидорець Володимир Миколайович, старший науковий співробітник відділу спеціалізованої високовольтної техніки і лазерної технології Інституту електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, м.Київ.
Провідна установа — Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра теоретичної електротехніки, м.Київ.
Захист відбудеться 24 квітня 2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.187.01 при Інституті електродинаміки НАН України (03680, Київ-57, пр.Перемоги, 56, тел.446-91-15).
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України.
Автореферат розіслано 20 березня 2001р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.С.Федій
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. В наш час інтенсивного розвитку високих технологій велика увага приділяється оптоелектронним пристроям, зокрема джерелам когерентного випромінення, таким як напівпровідникові електроінжекційні лазери з багатошаровими гетероструктурами. Застосування напівпровідникових електроінжекційних лазерів в таких сучасних пристроях, як оптичні процесори, транссивери для волоконно-оптичних ліній зв’язку, пристрої зчитування та запису інформації, лазерні принтери та ін., обумовлюють проведення цілого комплексу досліджень таких лазерів.
Дослідження динамічної поведінки напівпровідникових електро-інжекційних лазерів являється важливою задачею при розробці лазерів та при проектуванні систем і пристроїв, котрі їх включають. Зокрема, дослідження перехідних процесів лазерів необхідне для досягнення більшої швидкодії роботи таких пристроїв.
Актуальність теми. Математичне моделювання перехідних електро-оптичних процесів в напівпровідникових лазерах за допомогою ЕОМ є перспективним напрямком наукових досліджень, оскільки обмеження тільки фізичним моделюванням лазерів при їх розробці є дорогим і нераціональним шляхом. Особливо це суттєво для України, де дослідне виробництво напівпровідникових електроінжекційних лазерів ускладнюється економічними негараздами. Таким чином, розробка методик комп’ютерного моделювання і власне кінетичних, електричних та дискретних моделей напівпровідникових електроінжекційних лазерів є важливим завданням теоретичної електротехніки.
Розробка електричних моделей дозволяє створити схеми заміщення напівпровідникових гетеролазерів, в яких використовуються традиційні елементи електротехнічних схем та керовані провідності, джерела струму і напруги. Такий підхід дозволяє спростити дослідження та розрахунки динамічних режимів функціонування лазера при врахуванні конструктивних та технологічних параметрів, в тому числі при підключенні лазерів до неідеальних та нетрадиційних джерел енергії та при включенні лазерних пристроїв в складні електронні схеми.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до планів і досліджень НАН України за темами “Сонце-Д” (Шифр 1.7.3.132, держ. реєстр. №0195v008560, затверджена постановою ВФТПЕ НАН України від 27.12.1994р.) і “Сонце-І” (Шифр 1.7.3.177, держ. реєстр. №0198v008150, затверджена постановою ВФТПЕ НАН України від 11.03.1999р.), відповідно до програми Міністерства науки і технологій України 04.07 “Нетрадиційні і відновлювальні джерела енергії та ефективні системи їх використання” за договором №2/134-97 “Система фотоелектричного живлення річкових бакенів”, відповідно до договору №794 з АТ “Київпроект” за темою “Генеральний план м.Києва. Стадія концепції розвитку міста”, розділ “Електропостачання”, підрозділ “Альтернативні джерела енергії” та відповідно до договору 09-127/07 від 15.04.98р. між Мінпромполітики та НДІ “Вектор”, який виконувався в рамках Науково-технічної програми Мінмашпрому України “Вирішальні технології інформатизації України”. В названих вище НДР Бондаренку Д.В. належить розробка методик, алгоритмів та програм розрахунку динамічних процесів в системах з напівпровідниковими лазерами.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток методів дослідження динамічної поведінки напівпровідникових електроінжекційних лазерів і схем на їх основі з урахуванням конструктивних та технологічних параметрів, включаючи схеми з розподіленими параметрами та схеми з нетрадиційними джерелами живлення, а також розробка методик, алгоритмів і програм для їх моделювання.
Основні задачі дослідження полягають у наступному:
1. Розробка ефективних з точки зору стійкості і машинного часу чисельних методів інтегрування нелінійних диференційних рівнянь динаміки електроінжекційних лазерів, враховуючи особливості цих рівнянь.
2. Побудова еквівалентних електричних схем заміщення напівпровід-никових електроінжекційних лазерів та дискретних електричних моделей, які б дозволяли враховувати просторово неоднорідний розподіл параметрів лазерів, багатосекційність конструкцій, багатомодовість випромінюючого режиму і наявність паразитних елементів, а також можливість живлення лазерів від неідеальних та нелінійних джерел живлення.
3. Створення алгоритмів і програм розрахунку динаміки лазерів, при-датних для використання на сучасних ЕОМ і адаптованих до сучасних програмних комплексів розрахунку електричних і електронних кіл.
4. Розвиток аналітичних методик дослідження динаміки лазерів, які дозволяють зробити якісні оцінки динаміки перехідних процесів в лазерах та їх стійкості по відношенню до малих збурень в часі та просторі.
Об’єктом досліджень є електроінжекційні напівпровідникові лазери, а предметом дослідження є динамічні процеси в напівпровідникових електроінжекційних лазерах в різних режимах роботи.
Для вирішення поставлених задач використовувались методи теорії нелінійних та лінійних електричних кіл, математичні методи теорії диференційних рівнянь і теорії стійкості, чисельні методи прикладної математики.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:
- отримано нові еквівалентні електротехнічні схеми заміщення для моделювання динамічних нелінійних електронних і фотонних процесів в напівпровідникових електроінжекційних лазерах;
- вперше розроблено електричні моделі для багатомодових електроінжекційних лазерів та лазерів з просторовим розподіленням параметрів;
- на базі запропонованих електричних моделей розроблена методика розрахунку складних електричних кіл на основі напівпровідникового електроінжекційного лазеру, які містять неідеальні та нелінійні джерела живлення;
- дістала подальший розвиток методологія розрахунку складних нелінійних електричних кіл за допомогою запропонованої автором модифікації чисельного методу Адамса-Мултона;
- вперше для класу задач, що розглядаються, реалізована методика якісного аналізу особливостей динаміки перехідних процесів в лазерах, яка поєднує в собі дослідження поведінки огинаючої перехідного процесу за допомогою методу малого параметру і дослідження стійкості по відношенню до малих збурень.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблені математичні моделі, методики і алгоритми розрахунку перехідних процесів, реалізовано в програмному комплексі “Dynamic Laser”, який дозволяє проводити розрахунки динаміки інжекційних напівпровідникових лазерів на ПЕОМ. Цей комплекс впроваджено в НДІ “Вектор” (Держкомпромполітики) при проектуванні швидкодіючих широкосмужкових приладів спряження оптоелектронних та радіотелекомунікаційних мереж та в Інституті ключових проблем енергетики (КП) при розробці систем світлосигналізації з живленням від фотобатареї.
Особистий внесок здобувача. Наукові результати, що увійшли до дисертації, отримані здобувачем особисто. П’ять із восьми робіт опубліковано без співавторів.
В друкованих роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: в [2] – результати чисельного аналізу перехідних процесів в системі фотобатарея - напівпровідниковий інжекційний лазер, а також методика та результати аналізу стійкості цієї системи по відношенню до малих збурень; в [4] – розробка загальної схеми аналізу стійкості розподілених процесів переносу в системах, які описуються системою двох квазілінійних рівнянь параболічного типу; в [6] – методика та результат чисельного моделювання системи швидкісних рівнянь, які описують динаміку лазера, та схема проведення експериментальних досліджень тривалості перехідних процесів лазера.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати доповідалися на таких конференціях: 7-а Міжнародна кримська конференція “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, вересень 1997 року); 2-а Міжнародна науково-практична конференція “Системы и средства передачи и обработки информации” (Одеса, вересень 1998 року); 4-а Міжнародна конференція “Проблеми сучасної електротехніки -2000” (Київ, травень 2000 року).
Публікації результатів наукових досліджень. Основний зміст дисертації відображений в восьми роботах, опублікованих в наукових виданнях (5 статей у фахових виданнях, 1 препринт Інституту електродинаміки НАН України та 2-і доповіді на конференціях).
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 199 сторінок, з них на 53 сторінках розміщені 102 рисунка та 1 таблиця, список використаних джерел з 77 найменувань та 3 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність та доцільність роботи, сформульована мета і задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертації, наведено відомості про апробацію та публікації.
У першому розділі розглянуто принципи дії напівпровідникових електроінжекційних лазерів, наведено різні типи конструкції таких лазерів. Розглянуті кінетичні моделі, які описують динамічну поведінку лазерів різних типів. Зокрема, кінетичною моделлю для лазерів з боковим обмеженням носіїв заряду та фотонів є система швидкісних рівнянь:
, (1)
. (2)
де N- концентрація носіїв заряду; P- густина фотонів в моді резонатора; Nот- концентрація носіїв заряду при пороговому струмі накачки; J- густина струму інжекції неосновних носіїв заряду (струму накачки); d- товщина активного шару; S - час життя неосновних носіїв заряду (час спонтанної випромінюючої рекомбінації); P- час життя фотона в резонаторі; - коефіцієнт оптичного підсилення; - частка спонтанного випромінення, що попадає в лазерну моду; e- заряд електрона.
Рівняння (1) показує, що швидкість збільшення концентрації носіїв заряду рівна швидкості інжекції струмом накачки J/ed мінус швидкість втрат носіїв при спонтанній рекомбінації N/s та втрат, зумовлених стимульованою рекомбінацією (N-Nот)P. Рівняння (2) в свою чергу показує, що швидкість збільшення густини фотонів рівна швидкості народження фотонів при стимульованій еміссії (N-Nот)P мінус диссипативні втрати фотонів в резонаторі P/p, плюс швидкість спонтанного випромінення фотонів в лазерну моду N/S . В цих рівняннях член N - Nот)P відображає процес саме лазерної генерації, тобто збільшення густини фотонів при густині носіїв заряду більшій, ніж пороговий рівень Nот.
В модель лазера з врахуванням бокової дифузії носіїв заряду включається просторова компонента, оскільки немає обмеження неосновних носіїв заряду і вони розтікаються по всій площині кристалу в районі активного шару. Отже маємо
, (3)
. (4)
де D - коефіцієнт дифузії неосновних носіїв заряду, х- координата вздовж ширини активної області.
Показано, що ці системи є жорсткими і для їх вирішення явні методи непридатні. Застосування численних неявних методів пов’язано зі значними затратами потужностей ЕОМ, що особливо помітно в випадку багатосекційних, багатомодових моделей та при порівняно малому кроці інтегрування. Тому був розроблений та запропонований модифікований метод Адамса-Мултона, який дозволяє суттєво знизити час чисельного інтегрування при незначній втраті точності.
Для системи (1), (2) за допомогою модифікованого методу Адамса-Мултона одержана система лінійних рівнянь відносно приростів концентрації носіїв заряду та густини фотонів на часовому кроці h:
, (5)
, (6)
де z – невязка, і на першому часовому кроці z = 0, а на подальших , обчислених на попередньому кроці. Можливість такого врахування цього нелінійного члена обумовлена тим, що він має другий порядок малості. Вона підтверджена обчислювальними експериментами. Результатом моделювання є графіки на рис.1 та рис.2.
Розглядаючи випадок, коли в лазері було відсутнє вимушене та спонтанне випромінення (=0 та =0 в рівняннях (1), (2)), було помічено, що лазер представляє з себе конденсатор з неідеальним діелектриком. На базі цього висновку та використовуючи рівняння теоретичної електротехніки в першому розділі була запропонована електрична модель напівпровідникового електроінжекційного лазера (0 та 0) та світлодіода (=0 та 0). Електрична модель лазера витікає з його швидкісних рівнянь. Її рівняння мають вид:
, (7)
, (8)
де , .
Видно, що рівняння (7), (8) описують зміну напруги в двох паралельних RC-колах, котрі зображені на рис.3 та рис.4. Схема на рис.3 моделює баланс надходження та загибелі носіїв заряду, як за рахунок спонтанної рекомбінації, так і завдяки стимульованій емісії. Схема на рис.4 моделює баланс народження та загибелі фотонів в лазерному резонаторі.
Виходячи з рівнянь (1), (7) та рис.3 робимо декілька висновків. По-перше, джерело струму Iн(t) відповідає реальному струму накачки лазера, оскільки в активному шарі значно переважає струм неосновних носіїв заряду, котрі туди інжектуються. По-друге, ємність Сn являється ємністю активного шару лазера в якій накопичуються носії заряду, які не встигли рекомбінувати. Струм через опір Rn відповідає втратам неосновних носіїв заряду при спонтанному випроміненні лазера, де Rn визначається виразом . Струм через опір rn відповідає втратам неосновних носіїв заряду на стимульованому (когерентному) випроміненні лазера. Опір rn визначається як rn=WUp-1. Видно, що опір rn керується напругою Up(t) зворотньопропорційно. Джерело струму Iот(t) являється наслідком умови перевищення концентрацією носіїв заряду деякого порогу і визначається як (тобто також керується напругою Up(t)).
Рис.3.Електрична модель електронної підсистеми напівпровідникового інжекційного лазера.