Квантово-размерный эффект Штарка

 

В полупроводниковых наноструктурах наблюдается еще один электрооптический эффект, сопровождающийся увеличением коэффициента поглощения - квантово-размерный эффект Штарка. Квантово-размерные эффекты возникают при размерах кристалла полупроводника не превышающих боровского радиуса экситона:

здесь μ – масса экситона; ε – диэлектрическая проницаемость; n = 1, 2, 3…

Для большинства полупроводников величина боровского радиуса экситона лежит в интервале 1-10 нм. При таких размерах полупроводниковых кристаллов в них возникает дополнительное расщепление энергетических уровней, увеличение ширины запрещенной зоны, а также «голубой» спектральный сдвиг экситонных полос поглощения. Данные эффекты широко используются в оптических устройствах на основе полупроводниковых наноструктур с квантовыми ямами. Двумерная квантовая яма представляет собой слой монокристаллического полупроводника, с толщиной, не превышающей боровский радиус экситона, с двух сторон окруженный полупроводниковыми слоями с большей шириной запрещенной зоны. В энергетическом смысле такая структура является потенциальной ямой для электронов, находящихся в центральном слое. При малой толщине центрального слоя движение электронов в такой потенциальной яме становится квантованным в направлении перпендикулярном слою, а разрешенные энергетические уровни, соответствующие движению в этом направлении – дискретными.

Рис.3. Изменение эффективной ширины запрещенной зоны квантовой ямы под действием внешнего электрического поля. На рисунке также показаны волновые функции электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне) для двух значений энергии

 

Внешнее электрическое поле, приложенное перпендикулярно такому слою, приводит к смещению энергетических уровней в квантовой яме (рис.6.8), что соответствует уменьшению эффективной ширины запрещенной зоны (квантово-размерный эффект Штарка).

Зависимость эффективной ширины запрещенной зоны от напряженности электрического поля задается выражением:

здесь E_g (0) – ширина запрещенной зоны при отсутствии электрического поля (Е =0), L – ширина квантовой ямы, m – масса экситона.

Уменьшение ширины запрещенной зоны проявляется в сдвиге полосы поглощения квантовой ямы (рис.6.9) и увеличении коэффициента поглощения для фотонов с энергией h ν₀< E_g (0).

    Таким образом, квантово-размерный эффект Штарка в полупроводниковых квантовых ямах позволяет осуществлять амплитудную модуляцию излучения. Данный эффект, как и эффект Франца-Келдыша, является безынерционным, поэтому он может использоваться в быстродействующих оптических переключателях с временами переключения до 10^-10 с. Высокая крутизна края полосы поглощения квантовой ямы позволяет получить высокий коэффициент модуляции излучения при малых управляющих напряжения. При изготовлении переключателя в виде планарного волновода, управляющее напряжение может составлять единицы вольт.

Достоинством электрооптического эффекта в квантовых ямах, по сравнению с эффектом Франца-Келдыша, является возможность варьирования рабочей спектральной области в широких пределах, путем

 

Рис.4. Спектральный сдвиг полосы поглощения квантовой ямы

при квантово-размерном эффекте Штарка

 

изменения ширины квантовой ямы. Наиболее часто полупроводниковые структуры с квантовыми ямами изготавливаются на основе эпитаксиальных слоев GaAs и тройных соединений типа GaAl_xAs, GaIn_xAs, а также на основе ZnSe и тройных соединений ZnS_xSe. Изменение стехиометрии соединений позволяет изменять глубину квантовой ямы.

 

В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на 2007–2008 годы. Реализация инновационной образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики.

 

КАФЕДРА ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ

Кафедра фотоники и оптоинформатики создана в 2002 году и работает под руководством лауреата премии Ленинского комсомола по науке и технике профессора С.А.Козлова. Одной из важнейших задач кафедры является организация учебного процесса и подготовка специалистов по оптоинформатике – стремительно развивающейся новой области науки и техники, в которой разрабатываются оптические технологии сверхбыстрой передачи, обработки и записи информации, создаются быстродействующие оптические компьютеры и системы искусственного интеллекта. Разработка таких оптических информационно-телекоммуникационных технологий, представляющих собой информационные технологии нового поколения, является приоритетным направлением развития российской науки, техники и технологий.

    В рамках образовательного направления 200600 студентам читаются лекционные курсы по оптической физике, теории информации и кодирования, архитектуре вычислительных систем, технологии программирования, цифровым оптическим вычислениям, оптическим технологиям искусственного интеллекта, голографическим системам записи и отображения информации, другим актуальным проблемам оптоинформатики, а также по квантовой информатике. Эти лекционные курсы поддержаны эксклюзивными учебно-исследовательскими экспериментальными практикумами.

    Научные подразделения кафедры:

· Проблемная лаборатория волновых процессов, основная задача которой – организация научного руководства студентами и аспирантами молодежной научной ассоциации «Оптика-ХХI век», руководитель: д.ф.м.н., проф.С.А.Козлов.

· Научно-образовательный центр фемтосекундной оптики и фемтотехнологий – руководитель: д.ф.м.н., проф.В.Г.Беспалов.

· Лаборатория параллельных вычислений, нанофотоники и оптоинформатики – руководитель: д.ф.м.н., проф.Н.Н.Розанов.

· Лаборатория квантовой информатики – руководитель: к.ф.м.н., доцент С.А.Чивилихин.

· Лаборатория прикладной голографии – руководитель: к.ф.м.н., доцент О.В.Андреева

    На кафедре сформирована признанная научно-педагогическая школа по фемтосекундной оптике и фемтотехнологиям – руководители: д.ф.м.н., проф. С.А.Козлов и д.ф.м.н., проф. В.Г.Беспалов.

    Среди студентов и аспирантов кафедры – стипендиаты Президента и Правительства Российской Федерации, победители конкурсов научных работ, проводимых Российской Академией наук, крупнейшими мировыми научными обществами, такими как INTAS (Фонд научно-исследовательских работ Европейского сообщества), SPIE (Международное общество инженеров-оптиков), CRDF (Американский фонд гражданских исследований и развития), OSA (Оптическое общество Америки).

    Кафедра фотоники и оптоинформатики постоянно занимает призовые места по итогам конкурсов ведущих научно-педагогических коллективов Университета ИТМО.