Оптические вычисления - Арратуна Р.
Скачать (прямая ссылка):
квантоворазмерная структура. - Прим. ред.
58
Часть /. Пространственные модуляторы света
вия). Такой экситон возникает в полупроводнике при поглощении кванта
света с энергией, близкой ширине запрещенной зоны. Некоторые экситоны
могут быть локализованы на примесях, обычно присутствующих в
полупроводниках (донорных или акцепторных), образуя таким образом
связанный экситон [11]. Биэкситон - это связанное состояние двух
экситонов, несколько напоминающее молекулу водорода, являющуюся связанным
состоянием двух атомов водорода [10]. Экситонная нелинейность возникает
вследствие насыщения экситонного поглощения и соответствующего изменения
показателя преломления. Это "насыщение" обусловлено тем, что присутствие
либо уже возникших экситонов, либо свободных носителей затрудняет
образование экситона. Следовательно, интенсивность света, необходимая для
выполнения переключений в экситонных системах, тесно связана с величиной
интенсивности света, необходимой для насыщения резонанса экситонного
поглощения. Интенсивность насыщения составляет меньшую величину для
экситона большего радиуса или меньшей энергии связи. Более слабое
электрон-фононное взаимодействие уменьшает эффект уширения линии
экситонного поглощения и является причиной того, что эффекты, связанные с
экситонами, наблюдаются при больших температурах. Следовательно,
умеренные энергии связи экситонов вместе с минимальным электрон-фононным
взаимодействием являются идеальным условием для реализации переключающих
операций, характеризующихся малыми затратами мощности при комнатной
температуре. Другой нелинейный механизм - это эффект "заполнения зоны",
при котором заполнены состояния с энергиями, большими ширины запрещенной
зоны, что препятствует поглощению на этих энергиях. Соответственно
спектральная зависимость поглощения оказывается сдвинутой, и при
энергиях, как раз меньших ширины запрещенной зоны, могут возникать
большие изменения показателя преломления. В полупроводниках часто
сосуществуют нелинейности двоякой природы - связанные как с экситонами,
так и с заполнением зоны. Хотя сказанное здесь является крайне упрощенным
описанием оптических нелинейностей в полупроводниках, оно содержит
существенные элементы для понимания основ этих явлений.
2.5. Современное состояние работ по оптическим бистабильным устройствам
Оптическая бистабильность наблюдалась во многих полупроводниках, таких
как GaAs [8, 9] (бистабильность на свободных экситонах), GaAs-AlGaAs
(квантоворазмерные структуры) [2, .8-10], CuCl [12, 13] (биэкситонная
бистабильность), CdS [11] (бистабильность на связанных экситонах), InSb
[14,
Глава 2. Бистабильные устройства и логические элементы
59
15] (бистабильность на заполнении зоны), InAs [16] (бистабильность на
заполнении зоны), CdHgTe [17] (бистабильность на заполнении зоны), ZnS и
ZnSe [18-20] (тепловая бистабильность). В следующем разделе сделан обзор
рабочих характеристик бистабильных устройств и логических вентилей на
квантоворазмерных структурах из GaAs и AlGaAs. С характеристиками других
полупроводников можно ознакомиться в монографии [1] или обзорах [10, 21].
Оптическая бистабильность при комнатной температуре наблюдалась как в
объемных структурах на GaAs, так и на GaAs-квантоворазмерных структурах
(рис. 2.3) [8]. В работе [9] сообщается о снижении потерь мощности на
переключение до 5 мВт при комнатной температуре. В качестве источника
света для переключений при комнатных температурах в структурах с
резонатором Фабри - Перо с промежуточным слоем квантоворазмерной
структуры с толщиной слоев GaAs в 5,3 нм, AlGaAs в 5,6 нм использовался
полупроводниковый лазер (рис. 2.4) [22].
2.6. Оптические логические элементы Фабри - Перо (ОЛЭФП)
Используемые в экспериментах по бистабильности и описанные выше
нелинейные элементы Фабри - Перо способны выполнять большое число
различных логических операций [23, 24J. Процедура получения логических
операций достаточно наглядно проявляется при рассмотрении эксперимента по
накачке и зондированию устройства. Сигнал накачки при сравнительно низких
интенсивностях сильно взаимодействует с нелинейной средой, в то время как
высоко интенсивный зондирующий сигнал, сравнительно слабо
взаимодействующий со средой, настроен на область максимума пропускания.
Сдвиг этого пика пропускания, вызванный накачкой входным пучком, изменяет
пропускание зондирующего луча и в зависимости от начальной степени
отстройки зондирующего пучка относительно максимума пропускания (рис.
2.5) может приводить к выполнению таких логических функций, как ИЛИ-HE,
И-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИЛИ, И. Например, когда зондирующий луч изначально
(т. е. в отсутствие входного сигнала) смещен вправо от максимума
пропускания, реализуется функция ИЛИ-НЕ, потому что уровень входного
сигнала "1" или "2" смещает максимум в сторону от длины волны
зондирования. Коэффициент пропускания зондирующего пучка определяет
выходной сигнал, поэтому он будет низким в обоих случаях.
