过剩光载流子光栅的微观机制及衍射效率的理论研究

【摘要】：为了研制新型、高速、大带宽的光学信息处理器件,本文结合三种“载流子致折射率改变”的效应及严格耦合波理论,对过剩光载流子光栅的光学性能进行了理论研究,主要内容包括分析其微观机制;建立模型、计算与分析其衍射效率。 本文的具体内容如下: (1)推导了描述上半平面解析的复变函数的实部与虚部关系的数学性质Kramer-Kr?nig关系(简称K-K关系),并由此得到了折射率与吸收系数之间的K-K关系。 (2)分析了三种过剩光载流子引起吸收系数、折射率改变的效应,数值计算了过剩光载流子的不同注入浓度水平对InP与GaAs材料的吸收系数、折射率改变的影响。计算结果表明:对于能带填充效应和带隙填充效应,一定注入浓度水平下,禁带带边附近的折射率改变比较大,在远离带边的地方折射率改变会逐渐变小,直至为零。当过剩光载流子注入浓度水平足够大时,InP和GaAs材料的折射率改变总量会达到10-1量级。 (3)推导得到了过剩光载流子光栅的产生率、复合率的表达式,求解了a-Si:H半导体薄膜的稳态过剩光载流子光栅的连续性方程,其结果决定了正弦调制的空间过剩光载流子浓度分布,分析了不同泵浦光入射角对调制过剩光载流子浓度的影响。结果表明:一定泵浦功率密度下,泵浦光的夹角变大时,正弦调制的空间过剩光载流子浓度显著减小。同时,两种正弦调制的空间过剩光载流子的浓度比值会随着泵浦光的夹角变大而趋近于它们扩散常数比值的反比。 (4)针对不同的薄膜厚度与扩散长度的关系,建立了稳态过剩光载流子光栅的模型,并利用严格耦合波方法数值计算了TE偏振情形下不同模型的GaAs薄膜材料稳态过剩光载流子光栅的衍射效率。计算结果表明:两种模型下,前向±1级衍射效率可以达到10%,而后±1级衍射效率低于1‰。这个结果预示着过剩光载流子光栅只适合作为前向衍射元件。