Фотостимулированные оптические явления в материалах интегральной и волоконной оптики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИШЕНЕШ0-$И31НЕСЮЙ ЖСТ1ЯУТ /ШКИЧЕСКИЗ УНИВЕРСИТЕТ/

РГБ Ш

' : •'■ -Л- , ,.■ На правах рукописи

ЕМЕЛЬЯНОВА Евгения Васильевна

ЭДТОСШ^ШЫРОВШНЫЕ СТОИЧЕСКИЕ ЯВШШ В- МАТЕРИАЛАХ ШТКГРАЖНОЙ И вшюкошой ОПТИКИ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков.

АВТОРЕФЕРАТ ; , диссертации на соисканиэ ученой степени V кандидата физико-математических наук

Автор

Москва г- 1994

Работа выполнена в Московском государственном, инженерно-физическом институте (Техническом'университете)

НаучниЗ руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.И.Архипов

Официальные оппоненты: доктор физшо-штематических наук, .-■

профессор И.П.Звягин, кандидат физико-математических наук, доцент А.й.Ыаймистов

' Ведущая организация: Институт физической химии РАН '

Заидата состоится " 23 " января хддБ г. в 15.00 час^

на заседании диссертациониого соЕета К-053.03.08 в Московской , государственном инженерно-физическом институте (17) по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31, тел. 323-91-67.

С диссертацией нежно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат р^ела, - 19^. '

Просшл принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, БаверекшгЗ печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета .¿.у -

к.ф.-м. наук ; С-) С.Т.Корнилов . г

.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ -

\ Актуальность. теуд?. Исследование фотостймулированных оптических явлений, в .стеклообразных полупроводниках представляет значительны:! интерес в.связи с перспективностью использования таких материаловв волоконно-оптических системах связи, в качест-. ве рехмстряруяикх сред для обработки оптической информации, го-лографической записи; оптической информации и создания различных '. функциональных элементов и устройств интегральной оптики. Такие особенности халькогенидных стекол, как низкая темновая прово- • ;; дикость наряду с высокой фотоэлектрической чувствительность», слабая зависшость электрофизических свойств о? примесей, воз- . мощность изменять параметры в широких пределах путон плавного изменения состава, технологичность, оказались очень полезны?,га для разнообразных практических применений. В настоящее время на основе халькогенадных стекол созданы телевизионные передающие трубки, электрошшо переключателя, электрографические и фото-терыопластаческие носите®! информация и др. В этой связи возрастает значение дальнейшего изучения процессов собственного и фотостимулированного оптического поглощения в таких материалах, а такае вопросов нелинейного поглощения и искажения све-; товых сигналов, распространяющихся в волноводах, из стеклообразных полупроводников.

В настоящее время экспериментальные данные по оптическому , поглощению в неупорядоченных полупроводниках чаще всего интерпретируются в рамках модели многократного захвата носителей на локализованные состояния. Однако, надёжно установлено, что процессы релаксации генерированных неравновесных носителей в неупорядоченных, полупроводгшках з течение длительного интервала времени происходят в дисперсионном режиме. Дисперсионный характер процессов релаксации неравновесного заряда существенным образом влияет на характеристики различных явлений в неупорядоченных полупроводниках. Это обстоятельство обусловливает необходимость изучения кинетики оптического поглощения в стеклообразных материалах в дисперсионном режиме.•

Цель работы. В диссертации были поставлены следующие цели:

1. Провести оценку минимальных оптических потерь в волокнах из стеклообразных полупроводников.

2. Исследовать влияние процессов локализации и делокаляза-ции носителей на фотостимударованные оптические характеристики

стеклообразных полупроводников. „.••".

3. Проанализировать влияние слабого к фотостимулированного -оптического поглощения на распространение световых сигналов в •волноводах из, стеклообразных материалов.

раучная новизна. ■.'."■'■ ...."- —

1. Впервые для солонок из стеклообразных полупроводников проведена оценка минимальных оптических потерь, связанных со слабш поглощением; показано,, что,механизм слабого поглощения в высокочистных материалах обусловлен фотостулировааннш перехо- ■•• дали носителей с. ловушек, в зонупроводящих состояний.

3. Впервые рассмотрена эффекты небугеровского поглощения и ; оптического гистерезиса в волноводах из стеклообразных полупроводников, связанные со взаимодействием свэтовкх. квантов с носе-■гелями на ловушках в "хвосте" зоны проводимости: и с локализован- г ль"»!и носителями в "хвосте" валентной аонн. , • =

3. Впервые расчитака зависимость коэффициента фото стимулированного поглощения от параметров, подсветки, з овдирузсщего снгна-' ла и материала волновода с учетом эффекта предельного , заполнен

. ния ловушек.. . :.'■■ - -^ч' '.'.'7'' .-■. :'.

4. Впервые решена задача о кинетике дифракционной эффектов-ностк динамических голограмм, записанных в слоях стеклообразных полупроводников в рамках-модели дисперсионного транспорта.

- Практическая ценность.' .' V

Результаты диссертации могут быть использованы для интер- . претации экспериментальных данных по определении кинетических-характеристик стеклообразных материалов и параметров, спектра локализованных состояний стеклообразных полупроводников, для рас- , чета зависимости коэффициентов собственного и фотостщлулироваЕ-ного оптического поглощения от-характеристик материала волновода, параметров подсветки и передаваемого сигнала, а так^а для разработки мер по снижению оптических потерь в волоквах из стзк-лообразннх полупроводников и улучшению характеристик приборов и устройств ВОЛОКОННОЙ И ЯНТОГраЛЬНОЙ оптики.

Основные положения. кшооишё на з,ашту: . I. Механизм сяабогсз .поглощения обусловлен фотостюулироЕан- .'■ зшм освобождением :яос-итедэй из, локализованных, состояний в "хвостах" зоны ароводимости и валентной зоны. - - •">■".;■

2. Прохождение достаточно .интенсивного светового сигнала;. оказввает заметное влияние на оптические характеристики световода, обусловленное изменением зарядового состояния распределен'" ••■..■'..•.-:".'' - 4 ;.:. .V ' '''--'."л-.

: пых по энергии довушечных'уровней, что в своп очередь вызывает

искажение форкы передаваемого сигнала. / ; г,г' 3-. Кинетика оптических характеристик динамических голограф ■

■ "описывается неэкспоненцпальннш временной'зависшлостдаш , типич--'-"■•ными;для реш-та*дисперсионного транспорта'и рекомбинации в стеклообразных материалах. у.

•'*. Достоверность1 полученных- результатов основывается на четкой физической постановке изучаемых .задач в использовании приближений, адекватных рассматриваемом физическим.проблемам.- Кроне того, теоретические результаты, полученные в диссертации хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. •■•:•'':■•'■•',' Апробация работы. -''■.•■

Результаты, вошедпше в диссертацию, докладывались на втором совещании семинара "Применение ХСП.в олтоэлектронике" (Кишинев, Октябрь 1989), на Международной конференцт1иНекристалл;гческиэ ,-' ;полупроводнкки-89" (Загород, сентябрь 1989), на Всесоюзном совэ-, щании "Применение ХСП в оптозлектроникб" .(Екшнев, октябрь 1591), ; на Всесоюзном научно-техняческо?«? совещании "Электрическая релаксация и кинетические явления в твердых телах" (Сочи, сентябрь 3991), на совещании "Автолокализсванкые состояния в неупорядо-. • ченных ■ системах" Шущино, август 1994), на международной научно-технической конферещрш "Электрическая релаксация в высокоошых ^ катериаяах" (С.-Петербург, октябрь 1994). -

. ' , Список работ. в которых опубликованы основные результаты диссертации, содералт 10 публикаций.

Структура и объем диссертаций.

Диссертащя состоит из введения, трех глаз и заключения. 06: щй объем диссертация составляет 129 страниц» вклкчел 25 рясук-' * коз и список литературы из 73'наименований на 9 страницах.

■ '-V ; содоадняз диссерт/ции

. Диссертация посвящена теоретическое изучению процессов

собственного и фотоотимулярованнсго оптического поглощения к гна-- лизу фотоетиыулированных явлеши в стеклообразных полупроводниках, Исследование проводится в рачках ыодели многократного захвата носителей на распределенные по энергии локативовалете состояния (см. . например, Звягин И.П. Кинетические явления в неупорадочониах "полупроводниках - М.: Изд. ЛОТ, 1984. - 192 с.) и в рамках модели дисперсионного транспорта, развитой в работах Архппова В. У. и

Руденко А.И. Сек., например,;Arhipo\r V.I., Eudenko'АЛ. Drift and ' . - '

diffusion in materials-with trapa,II, TTon-eqúilibrium transport ' regime. - Phil, Mag. 3, 1982, v. 45, li 2, p. 189 - 207). . -

Большинство численных расчетов в диссертации' выполнено для .- • характерного для стеклообразных полупроводников экспоненциального энергетического распределения локализованных состояний: '= ^ -

= (f¡¿. /&0) е & /& о) , где 6> - энергия локализованного состояния, полная, плотность' ловушек, £0- характеристическая энергия снектра. :. : : ■ ■'"■•■'. . .

Изучение механизмов поглощения световых сигналов в волокнах из стеклообразных материалов имеет большое значение в связи с их использованием в качестве элементов устройств,приема и передачи оптической информации,1 что' требует 'максимально возможного: снижения собст- ! венных оптических потерь. В начале диссертанта рассматривается зависимость минимального коэффициента опткческох'о поглощения в внеоко-чистых стеклообразных полупроводниках'от частоты зондирующего сигнала, его интенсивности и температуры образца. В работе рассматривает- '-'■'.' ся область длин волн зондирующего. сигнала мевду электронным и фонон-' ным поглощением (область высокой прозрачности) стеклообразного по-, лупроводника. В этой области в поглощение дают вклад релеевское рас- • -сеяние, поглощение на примесях и слабое электронное поглощение., В . работе учитывается только вклад последнего в слабое поглощение" При измерении поглощения постоянного'светового сигнала возможна-конкуренция двух процессов: потемнения волокна из-за структурных превращений и просветления вследствие "очистки" мелисс локализованных состояний. В диссертации влияние фотэстимулировадних структур- . ных превращений на слабое оптическое, поглощение не учитывается. Считается, что поглощение обусловлено переходами носителей заряда под действием облучения с локализованных-состояний в зоне проводимости. Взаимодействие фотонов с делокалгзованнши носителями не учи- ч тивазтея вследстъяе достаточно низкой собственной 'проводимости этих материалов. Сначала рассматривается практически наиболее, интересный случай, когда энергия световых квантов не превышает энергии квазиуровня Ферми стеклообразного полупроводника, что соответствует инфракрасному диапазону излучения. Вклад в слабое-поглощение взаимодействия световых квантов с носителями в валентной зоне в задаче , . *. не учитывается, так как »"глубокие"'локализованные состояния в • "хвосте" валентной зоны, считаются практически полностью заполнен- . нкми н переход носителей из валентной,зины на эти состояния мало- ,

• Г. вероятен.; Коэффициент поглощения Т определяется выражением

где и) - частота зондирующего сигнала* £ - сечение взаимодействия . светового кванта с носителем на ловушке, р .- плотность.носителей, захваченных на локализованные состояния с энергией от £ до<ё+с/<2 . ■, Считается, что изменением интенсивности сигнала, связанным со слабым поглощением,кожно пренебречь.- Решение-задачи рассматривается з квазистадаонарннх условиях, когда установилось термическое равновесие ь:езду плотностями свободных и локализованных носителе;:. В Г; этом случае плотность локализованных носителей в интервале энергий ловуяек о а £ 4 имеет ввд

' где - гаазистационарное значение плотности носителей в проводя-\ щих состояниях, ^ - частота попыток освобождения, ..время-аизви , носителя в проволлщец; состоянии, I - 'интенсивность светового сигаа-ла. Величина Доопределяется из условия сохранения суммарной.' плот. ностц свободных носителей и носителе! на ловушках, которая определяется начальными условиями. В результате взаимодействия со светом, носители на ловушках будут делокализовываться преимущественно с состояний, энергий которых ленат в. интервале кТ ёп (&/23)<?<§<%аЭ. -При этой носители из зоны проводимости'будут захватываться преюгу-. щественко на локализованные состояния, лешциэ кипе уровня $с*> . . : Если уровень Ни) распслохен не очень близко к равновесному подомни» квазиуровня Ферма а интенсивность светового сигнала не слишком велика, существенного изменения зарядового состояния лову,/',,- щек иод действием света не происходят. Это йодтверздается и численным расчетом; В этом случае когф|адяент слабого логло^ошя ямзет } ввд., г;'.'-;; /л.; V , '"■.„::

; > Г* -

¿и)« ¡¿г еп(?0/1#).

где начальное значение плотности свободных носителей. В слу-

чае энергий световых квантов не слишком близких к положению энергии • квазиуровня Ферми коэффициент слабого поглощения экспоненциально возрастает в зависимости от энергии световых квантов Т** елр(Ьь>/Е^3 где E£~&p/[40/k],-/J. 3 случае, когда энергии ф6тоЕовЪ&>&0Ы&/-Щ коэффициент поглощения слабо зависит от энергии световых квадтов, а зависимость от интенсивности сигнала носит степенной характер

'X f Т51сдешю рассчггааа температурная зависимость коэффи-

циента слабого поглощения для различных длен волн светового сигнала. Показано, что с увеличением'температуры прозрачность материала. ;; уменьшается, кривые УО*)носят неактивацконный характер. .'

В диссертации:также изучается зависимость коэффициента поглощения от частоты передаваемого 'сигнала, • его интенсивности к тешера-'j,. ; туры материала для энергий световых гсвантов, превышающее энергии : г, квазиуровня Ферм.' Для рассматриваемых частот светового сигнала не' обходам учитывать как взаимодействие фотонов с локализованная ;;•',, носителя?® в "хвосте" зоны проводимости, так и в "хвосте" валентной;'•". зоны. Кроме того,.световые кванты "С такой энергией будут взаимодеЛ-■ствовать с носителями в валентной :зоне. Генерированные, из ,валентноГг .' зоны носители будут ,как захватываться на ловушки с последушда/пере- • бросом в зону проводимости, так л рекомбшировать. Решение задачи ; рассматривается при временах,- когда' установилось квазистационарное: ';. равновесие мезду темпом генерации светом носителей из валентной зонн и темпом рекомбинации этих носителей; В.качестве модельной функции V распределения ловушек по энергии рассматривается экспоненциальное -распределение в вкдб . . ■ ; ? ;'

где <£$]Ж характеристические энергии "спектра ловушек, Sir -ширина запрещенной зоны, ^(£?■) ) определяет положение

квазиуровня Ферми, &'единичная, функция, A^/Wt" В случае iicof : для", коэффициента поглощения справедливо у:

выражение ^ £ (^/a^C^/JS) (фсг^-ёУ&ог 1 ' [

где лезазпетационарное значение плотеосте подвигла-носителей: Д . находятся из уравнения сохранения.полной плотности носителей. Ко- • . эффкцкент поглощения света в данном случае определяется,, в оснозко?,-;, ,

взаимодействием фотонов с носителями на ловушках "хвоста" валентно!5 : зоне/ и эксяонешраладо. возрастает в зависимости от энергии световых квантов Т-ехрОгС^/Зс^., Также", бнл;выполнен численный расчет зависимости коэффициента поглощения от. энергии, фотонов для различных интенсивностей передаваемого сигнала. Численный расчет показывает, -чтокЬзгйидаентлогло'дешясвета'' частоты,^ »£?/% практически не зависит от интенсивности передаваемого,- сигнала. ,

Далее в диссертацаи анализируется временная зависимость коэффициента" слабого поглощения в высокочистых стеклообразных полупровод киках. Расс.матривается случай^ когда энергия световых квантов не .превышает глубины. квазиуровяяФерда. Взаимодействие света с носителями на ловушках с энергиями. от О до Яи> приводит к уменьшению , плотности локализованных носителей в данном интервале энергий. Таган/. образом;':коэффидаёнт." слабого поглощения уменьшается со временем. Начальное условие задачу соответствует „"теыновому", значению коэффициента поглощения., Для вычисления кинетики поглощения при малых временах дел:ается' предположение, что плотность носителей в проводящем .состоянии не сильно отличается от своего начального значения. Полученное решение мояет быть справедливо на, всем проке&утке времени, до установления стационарного режима поглощения, если энергия ■ фотонов меньше энергии квазиуровня Оермл на несколько к. Т . Конечная асимптотика коэффициента поглощениярассчиггшазгоя с использованием приближения¿что плотность свободных носителей не сильно отлк-:чается от своего стационарного значения. "Просзетлензе" материала происходит за вреди ^ Задача- такяэ. решалась чис-

ленно для экспоненциального, распределения ловушек по энергии. Далее рассматривается кинетика; релаксации, "темнового" коэффициента вогло-щензя.. Получены; асимптотические вырааёния при малых и больших временах, а такяе выполнен численный расчет. Характерное время релаксации "тернового" коэффициента поглощения

Зависимость коэффициента слабого поглощения от интенсивности света приводит к нелинейному поглощению.световых сигналов в световодах. В диссертации исследуется закон затухания интенсивности длительных световых сигналов! с энергией фотонов не превышающей полоаи-1Ш ширины запрещенной зоны в высокочисшх стеклообразных полупроводниках. Анализируется зависиьюсть интенсивности сигнала от координаты, отсчитываемой от входа в световод. Б этом случае коэффициент оптического-поглощения таив зависит от координата. Рассматриваются

тише начальные интенсивности сигнала, ¡ но под действием свата не происходит существенного-изменения плотности носителей в проводящем ; состоянии. С другой стороны, значения интенсивности сигнала тазсовы, что. делокаяизацЕя под действием .фотонов преобладает над/термическим освобождением в доеольно широком энергетическом интервале К.Т£п.())0Я$)4-& £ Я ¿о ловушек. В качества модельного распределения локализо- ' . ванных состояний по энергии взят экслоненвдальншТ сПеятр. Задача ре-шаэтся в хш аз ист ацконарннх условиях,' когда после', "вктачеаж". сигнала установилось термическое равновесие ь:еуду; плотностями свободных и локализованных носителей. Полученная координатная-. зависимость-.интенсив- -ности светового сигнала в световоде характеризуется дауш экспоненциальными интервалами» В первом (0<Х<Х<)2(Х)=2рез:/>(-. а етэданщюнт поглощение ..определяется интенсивностью сигнала на-входе-в световод и энергией (ротонов, Во второг. <ж \

- I/ , где Р% зависит;.от энергии фотонов, а величина

является функцией энергии фотонов и начальной интенсивности ..сигнала, оти два интервала разделены.достаточно узкой областью СХ/^Х^У с нззкспоненцкаяьной зависшосгыо интепсизпости от координаты. „•

1(Х) = 101< - и-<£Н Ъкяи. созес(я:*с).

« аМ) (р^ях)], оС - ■

Поскольку координаты и такие зависят, от интенсивности, сигнала на входе, то при фиксированной длине световода в нем, в' зависимости от интенсивности, мояет .преобладать тот или ияоП реяим поглощения, что указывает на возможность эйхокта бкстабильности,- Воли- -чада коэффициентов '// и ^определяется су^дларнон плотностью локализованных носителе! с энергией ловушек,'-не превышающей- £и> , Там, . . где на большей часта интервала энергий & & , .преобладает сртост1шуш!ровшщая делокализация /это область высокой интенсивно- ; сти сигнала и, следовательно, ыалых значений X. /, плотность йока- . лизованннх носителей шньше'равновесной, л,. поэту- коэффициент. • оказывается меньше коэффициента.. . Задача; такао решалась 'числен- -./ но док различных штенсивкостей входаого сигнала. ''' . .

Нелинейное поглощение световых', импульсов -в стеклообразных полупроводниках приводит к искажению, их, йорш» В диссертация решается . задача о нелинейном затухании коротких световых • ш^льсов,-: распро-' - -странякядшсся б волновода из хальиогеяидного стеклообразного: полу-' проводника, и рассчиткьаогся искадэкио. вреконнохк);щюф1Ш1.сигаал.а ,ка выходе волноЕода в зависимости от' "характеристик ''иатераала :и. иктек- . 'ч

сивностл входного импульса. Предлагается теоретическая модель, которая обусловливает нелинейное поглощение света с энергией фотонов 4 Ед - взаимодействием светозых квантов как с носителями .в валентной зоне, так. и с локализованными носителями в "хвостах" . зоны проводимости и валентной зонн. Квант света взаимодействует с ■ ".носителем в валентной зоне, перебрасывая его на одно из свободных .. локализованных-состояний в запрещенной зоне. Таким образом, под

воздействием света в материале волновода генерируются неравновесные .электрон-дырочные парн, причем темп генерации пропорционален кптсн-.'.;, сивностн сигната. в данной точке с координатой сс и равенрКсс.^) ,, / р -'коэффициент, зависящий от плотности состояний в валентной зоно и от сечения взаимодействия кванта излучения с выбнваемш ' носителем/. Кроме того, носитель, находящийся на ловушке в запрещенной зоне, взаимодействуя со световым гаалтом, глонет перебраск-': 'ваться в зону проводимости. Коэффициент поглощения, связанный со ' взаимодействием квантов света с генерированными неравновесными но-• ситеяш.а будет равен ¿>р(х,-Ь) , где р№,-£) - плотность генеркрозан-ных носителей. Получены аналитические вираганин, описывающие форму импульса при малых зременах, когда плотность генерированных нос-ите-лей невелика а темпом рекомбинадая. носителей, по сравнению с темпом генерации,- молено пренебречь и при больших временах^ когда устанавливается "квазистационарное" соотношение мезду темпом генерации и темпом рекомбинации носителей. Решение получено для случаев бимолекулярного и моноколе1су.ляр:юго механизмов рекомбинации. При достаточно низком те!>ше рекомбинации, когда квазиставдонарное соотношение мезду генерацией и рекомбинацией генерированных носителей уста- . навлизается на временах больших или порядка длительности импульса , существует некоторое пороговое значение максимальной интенсивности света 2 , при котором начинает существенно проявляться, нелинейное' поглощение импульса в волноводе

/

где - длина волновода, - "темповой" коэффициент поглощения, 10Р({/1") - интенсивность импульса на входе. Искажение врзмен-ного профиля светового илпульса, обусловленное нелинейным поглс-' щением, приводит к гнетерезкеной зависимости интенсивности выход* лого сигнала от соответствующего значения интенсивности на входе. Проводится такие численный, расчет нелинейного поглощения еветовш: . иьшулъсов, имеющих на входе в волновод, форму 2(0^) Ы£)~Ь/С-

Рассчитанные зависимости хорошо согласуются с результатами экспериментов (см., например, О.И.Бодак, Н.А.Бнаки, И.А.Коаокарь, П.Г.Чер-барь, В.Н.Чумаш. Оптический гистерезис и■ нелинейное поглощение ко-'V ротккх лазерных юлгульсов в халькогенадных стеклообразных солупрс-' водниках. В.кн. Стеклообразные,полупроводники для' оптоэлёктронига. ' Кишинев: Стиинца, 1991). '■ \УК-Г:= Фотостимулированноепоглощение, обусловленное бо^овой-подсвет-кой, существенно изменяет оптические й'полноводные характеристики световодов на основе стеклообразных полупроводников. В диссертации исследуется коэффициент фотостимулированного оптического поглощения в образцах из высоночистых' стеклообразных полупроводников/ в зависимости от времени действия облучения, окергиа фотонов зондирующего излучения, интенсивности, боковой подсветки и те:жературы волокна. Сначала рассматривается, временная зависшость коэффициента фотостл-ыулированкого поглощения' света с энергией фотоксв Ъи) с Е^/Л .Он тается, что интенсивная.боковая подсветка генерирует однородно по объему материала электрон-дырочные пары, причем теш генерации -постоянен начиная с момента вклшещ[я,'облуче1шя.; Лредпс»тагавтся,1:что. оптическое поглощение волокна обусловлено взаимодействием световых «вантоз с генерированными боковой подсветкой носителями/, захваченными на ловушки.. Процесс релаксации генерированных неравновесных носителей заряда рассматривается в рамках додели дисперсионного ; транспорта с учетом' эффекта предельного заполнения лозуиок.: Реше- ' шхе задачи получено в интервале малых временкогда происходит в основном процесс генерации неравновесных носителей и-при большое, временах, когда устанавливается "квазистационарное'1 сооткоиенкс ыечщу темпами генерации и рекомбинации носителей. Считается, что' в материале образца преобладает бимолекулярный механизм рекомбинации. Таггсе рассматривается стационарный ренин фотостих^улированнОго поглощения, который имеет место при временах, когда происходит пра тически полное заполнение ловушек, лежащих нихе демаркационного уровня кТвли соответственно устанавливается стацяс

каркая граница ыеаду "мелкими" и предельно заполненным! "глу бокими" ловушками. Полученные общие, зависимости для коэффициента фотостимулированного поглощения иллнстрируится на примере экспоне^ циального энергетического распределения ловушек. Получены аналитические зависйкости, описывающие поведение коэффициента фотостимул! рованного поглощения в различных временных интервалах. Показано, что при достаточно шзко2 интенсивности боковой подсветки и не оч!

1г

> больших энергиях световых квантов кинетика коэффициента фотостшу-,■';лированного'.поглощения имеет достаточно резкий максимум, т.е. яв-'.. . лается- вспышечной. Условие для предельного теша генерации электрон-дырочных пар,-при котором наблюдается вспышечная кинетика коэффициента поглощения имеет вид. • .

Учет продельного заполнения играет существенную роль для ловушек вблизи квазну ровня. Форш. Для решила''генерации, при котором •'". < &<1 > соответствует тешу генерации

£ « ^ц^ехрЬЯео/сТ),

мо;шо, пренебречь эффектом предельного заполнения'ловушек. Задача '-'•. решалась также, численно.-Рассчитаны кривые кинетики коэффициента '.- поглощения для различных интенсивностей.боковой подсветки и энергий фотонов-зондирутацего излучения. Результаты расчетов сравниваются.с экспериментальными данными /например, А.М.Андриеш, В.И.Архй-пов, И.ПЛчуляк, В.МЛогин, А.И.Рудешсо.-ёотостшлудированное оптичэ-сное'поглощение в', волокнах из халькогенвдных стекол. В 1ш. Стекло.. образные полупроводники для оптоэлектроншси. Кишинев :Шгиш-ща,

1991/. Полученная в ранках указанных приближений зависимость стацй-. онарного коэффициента фотостиыулированного поглощения от энергия световых "квантов для случая $и> В^М оказывается значительно слабее наблюдаемой экспериментально, хотя и является экспонендпаль-. , но возрастающей. Далее в диссертации проводится расчет стационарно--го коэффициента фотостзтулированного поглощения в зависимости от характеристик материала., параметров подсветки и зондирующего излучения с учетом взаимодействия фотонов светового сиг-кала с носптеля-- ми, находящимися на ловунасах в "хвосте" валентной зоны. Задача рз-•-. ¡лается численно. Расчетные кривые сравниваются-с экспериментальными . . результатами!." -

Практический интерес представляет задача о влиянии внешних воз'. действий на распространение световых волн в волноводе. В диссертации рассматривается задача о влиянии фотостщулировашого оптлческо-• го поглощения на отражение плоской световой волны, распространяющейся в .двухслойном. .шганарной волноводе из стеклообразного полупроводника. При' освещении стеклообразного полупроводника светом видимого .диапазона изменение оптических характеристик первых слоев во-

щестза оказывает влияние на засветку следувдкх и потемнение осве-. : чаемого волновода оказывается неоднородным по толщине. Профиль '.ко^;. эффкциента поглощения по глубине волокна оказывается близким к экс-понешдаальному (т.н. градиентные волноводы)Однако,-вследствие ■ . того, что глубина проникновения видимого света в стеклообразные полупроводники составляет доли микрона, мочшо считать, что'потемнение произошло в слое толщиной, d вблизи .освещаемой поверхности. Предполагается, что подсветка не изменяет-величину показателяпрелом-':, ления в потемневшем слое световода. Получено .выражение Для коэфь фидиента отражения плоской волны в зависимости от коэффициента .-'..-поглощения и показателя преломления материала волновода. Показано, что в пленарном волноводе при достаточно сильном.-потемнении, поверх- у постного слоя коэффициент. отражения плоской волны достигает значе- ■. ■ ния единицы для всех углов падения, в том'числе для углов, не удов- ; летворявщих'условию полного внутреннего отражения. В э-хоы случае эффективная толщна световода уменьшается на величину потемневшего

слоя. - ---.- .'■.-;'-■ '"'-v v. ■-у. .

Нелинейно-оптические характеристики стеклообразна* полупроводников, параметры спектра локализованных состояний могут быть определены из известной зависимости,от времени дифракционной еффектив-. ности светоиндуцированныхдинамических решеток; записанных в слоях 8тих материалов. Далее в диссертации изучается кинетика. дафракци-Ч окнок эффективности таких решеток. Считается, что локальные кзме- . нения оптических характеристик материала под воздействием излучения линейно связаны с распределением плотности генерированных све- ■ том неравновесных носителей, согласно модели Друде, Процесс релаксации генерированного заряда описывается в рамках модели диспбрсион-ного транспорта с учетом диффузии и рекомбинации неравновесных носи- ' телеи. Предполагается, что в данном материале реализуется амбкполяр-. кая'диффузия и мономолекулярный механизм рекомбинации носителей. Начальное распределение плотности генерированных электрон-дырочных пар рассматривается в виде

где Ji - ¿о/ЛSi.n(t?/¿) - период формируемой решетки, Р0 -длина волны лазерного Излучения, ¿^ - угол r/.езду пучками. При этом в рассматриваемой решетке образуется синусоидальная модуляция показателя преломления. Считается, что зондирующий свет слабо по- . глощается в объеме образца ц решетка является фазовой. Подучены

U ■ • . . : ' -

выра;;зши для зависимости от времена дифракционной эффективности : решетки. В случае экспоненциального распределения ловушек по энергии дзфракцжмшая' эффективность изменяется со временем по степенному закону и иглеет вид

где ' = ¡№г£)с. » А воэ®ищюнт ^биполярной диффу-'.■ зид, . % - вреш ¿шзни неравновесных носителей.. Оценено эффективное. "время низлц"' дифракционной рештки

4, = о/М [Ъ(Ъ'*+ЪЛ>Г

которое существенно зависит от глубины спектра локализованных состояний. Результаты проведенных расчетов сопоставляются с экспериментальными данным, .;

' основные результаты и вывода

■ Основными результатами, полученными в. диссертации, являются:

1. Объяснение механизма слабого поглощения света в высокочистых стеклообразных полупроводниках. Вывод, о том, что механизм слабого поглощения света обусловлен фотостимулироваянш освобождением' носителей

• из локализованных состояний в "хвосте" зоны проводимости. Выявление зависимости коэффициента слабого поглощения от энергии фотонов, интенсивности света, температуры образца и параметров спектра лона--лнзованяых состояний. Анализ кинетики коэффициента слабого поглощения и кинетики "темповой релаксации коэффициента поглощения. Численный расчет временной зависимости кинеглк коэффициента слабого поглощения, и "теплового" коэффициента поглощения для различных ин-тенсивностей света. .

2. Объяснение механизма собственного оптического поглощения в высокочистых" стеклообразных полупроводниках в случае энергий световых квантов Я со В^/Х. . Здесь- со - частота поглощаемого света, -оптическая ширина щели стеклообразного полупроводника. Выявление зависимости коэффициента поглощения от энергии световых квантов,

• интенсивности сигнала, тешературы образца и параметров спектра ловушек. Чдсденннй расчет зависимости коэффициента поглощения от длины волнн светового сигнала для различных значений! интенсивности.

3. Исследование координатной: завлсзшлости интенсивности свотсвого ; сигнала, распространяющегося в волноводе из высокочистого стоклооб-'. разного пол\:йроводнщ;а. Вывод о существовании области ;Вожозода,";:,. : где свет поглощается по', закону, отличяоиу от' экрпошндалсбного; за-. ... кона Bjrepa. Численный .расчет;зависимости штёнсизностн светового...-//, сигнала от координаты для различных хчтенспзшстей;.сигнала" на:зхо- ... де в волновод. ■'-.'•' .''.-.' .. .... <,','/•'.'..'■'/--/-.ч--л;.-"; .',-

4. Исследование нелинейного захухавт короггскс световых щ-шульсоз ;: с энергией квантов .-- ,. распростр&чяощихсд в волноводе из стеклообразного полупроводнш<а, объяснение шханизма'нелинейно- ' . го похищения таких,импульсов.,Расчет.искажения временного провидя -.. снгнала на выходе волновода в' зависимости' от .характеристик материала :i интексдвыости входного импульса. Вывод о том, что нелинейное .. поглощение обусловлено взаимодействием фотонов как с носителя!® в валентной зоне, .так и с носителями на ловушках в "хвостах" валентно.зоны и зоны проводимости. Объяснение экспериментальных резулв-тахов по гпстерозисной зависимости интенсивности"на;выходе,волново-\ да от интенсивности на входе. У ' -. . '.. *'. '•-' ; - V '5. Описание кинетики коэффициента уотосгжу.таровашого поглощения- Г

с учзтом эффекта предельного заполнения ловутдек. Расчет завлсшлости стационарного коэффициента д^тостадуларовашного поглощения; от экер-.-run световых квантов зондирующего излучения,. интенсивности подсвет-, ки, температуры материала и параметров-' спектра, .локализованных .сос-,1-'; тоякя2. Объяснение; экспериментальных данных по "вспкхсчноё" кинетике фотостщулированного поглощения, в стеклообразных полуцровод-киках.' ' '• "•"..:.,".-'• ■',"■-- г ''.-:'.'..-.'.'. : '■■■■.\

6. Анализ влияния фотостицулхфогшвбго;' оптического ..поглощения;-на": распространение дяоской световой волны в сданаряом волноводе. Вы- - -вод о том, что при достаточно сильной боковой подсветке ¿ ' вызывающей частичное- потемнение волновода, коэффициент orpasoHKs плоской световой волны достигает значения единицы для'всех углов пздокия, в том числе для углов, не .удовлетворяющих. условию полного внутреннего' отражения. •'. . . . . " . ■ .; ; .. ' .- .

7. Анализ кшютжи дифракцдонной. эффективности светоиэдуь^рованкых -дина'лическях решеток, записанных, в слоях стеклообразных полупроводников. Вывод формул, описывающих временную зависимость дифракщюк- . ноё эффективности. Вывод о том, что затухание со временем' кнтенспв-ности света, дифрагировавшего в первый максимум, происходит по степенному закону. Объяснение результатов экспериментов по кинетике

дифракционной эффективности динамических решеток, записанных в слоях неупорядоченных полупроводников.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

' I/Архипов В.'Л,, Еиэльян6за..З.В. Кинетика-дифракционной эффективности 'светоЕЭДуцированнкх динамических решеток в слоях неулорл-.''''■" -доченннх..полупроводников. -'Квантовая электроника, 1393, т. 20,

V ::< и, с. пзз - пз-з.

' '■ 2. Архипов Б.И., .Емельянова'Е.В. "Всшгтачная" кинетика фстостиыу-лировакяого оптического поглощения в' стеклообразных полупровсд-. ннках, - Ш, „1991, т. 25, 10, с. 1792. - 1795.

3. Архшюз В.И., Емельянова Е.В. Отклонения от закона Бугера при 'распространении сзетового сигнала в волокнах из халькогэнядгщх

стекол. - Ф7Я, 1991, т. 25, £ 12, с. 2222 - 2225.

4. Архипов В.И.', Емельянова Е.В, Нелинейное распространение с-взто-'. вкх импульсов' в' волноводах из стеклообразных полупроводников.

- 5ТП, 1994, т. 23, й 10, с. 1776 - 1781. . 5. Архипоз В.И. ,' Емельянова Е.В. Влияние йютостимулированного оптп-' ческого поглощения на отражение световой, волны в пленарном световоде. - Высокочистые вещества, 1992, т. 4,. 2, с. 189 - 190. , б. Архшов В.И,,' Емельянова Е.В. О механизме слабого поглощения ■ света в высокочистых хальЕогенадннх стеклах. - Вксокочистне вещества, 1991, т. 3, 13 6, с. 198 - 201.

7. Архипов В.И., Емельянова Е.В. Прохождение световой золиы в пла-.нарном свс-тозоде с неодяородкны по толщине аотостщ-улированным оптическим поглощением. - Тез. докл. П совещания. - сегетнара

' "Применение ХСП в оптоэлектронлке" /Кшяинев, октябрь 1989/, : с. 76 - 77.

8. Архипов В.И., Емельянова Е.В. Релаксация: оптических характерно- | тик динамических голограмм, записанных в слоях неупорядоченных •

. полупроводников. - Тез. докл. Ш Всесоюзного совещания "Приме- | мнение ХСП в оптоэлектронике" /Кишинев, октябрь 1991/, Кишинев: 1 !Штшшца, 1991, с. 46 - 47. •

9. Арх1-шов В.И,, Емельянова Е.В. Нол^ше&юе поглощение лазерных

. • импульсов в стеклоо<5разнкх полупроводниках. - Тез. докл. Кеяду-: . . нгфойео.!' научно-техшгеескоЗ конференции "Электрическая рэлакса- : - ■■•цая в внеококлннх материалах" /релаксация - 94/, /Россия, 0... . .Петербург, октябрь 1994/, С.-Петербург:Образованно, 1394, 5 С. 12 - 14. I

10. Архипов В.Й., Емельянова Е,В.,. Руденко. А.И. О минимальных оп-тическкх потерях в волокнах из ХСП.В мат. Международной ■/. конференции "Некристаллические, полупроводники'..- 89" •■/Ужгород, сентябрь 1989/, т. I, с. 255 - 257. - .У':, ;; .'■ Л

Подписано в-печать £ 54 • . Зака.' Тират. $0экз. Типография Ш1ФИ, Ьлширское шоссе, 31. . .