Введение к работе
Актуальность исследований. Туннельные эффекты представляют собой способность волн проходить через классически недоступные области. В оптике - через барьеры нарушенного полного внутреннего отражения (НІШО), в квантовой механике - через потенциальные барьеры. Благодаря интерференции золк при туннелированки через систему из двух и большего числа барьеров могут иметь место резонансные эффекты.
В последние два десятилетия резонансные туннельные эффекты нашли применение в перспективных направлениях прикладной и экспериментальной физики. Основные из них: интегральная и волоконная оптика, транспорт электронов в полупроводниковых сверхрешетках, спектроскопия НТЮО.
Экспериментальное исследование явлений переноса в сверхрешетках и особенно нелинейных свойств может дать ценную информацию о зонной структуре и рассеянии носителей тока в сверхрешетках. Большой интерес вызывают сейчас уникальные свойства инжекционньгх лазеров с квантозоразмерными слоями.
Резонансное туннелирование в волоконной и интегральной оптике является одним из основных механизмов упрашіекия светом и может быть положено в основу ряда оптических устройств нового класса: оптических датчиков, модуляторов, демодуляторов, переключателей, фильтров, муль-тистабильных элементов, элементов памяти и др.
Миниатюрные приборы, полученные на основе резонансного тунне-лирования, привлекательны своим высоким быстродействием и высокой чувствительностью. Интерес к таким устройствам и их разработка объясняются следующими причинами. Во-первых, все возрастающими потребностями в обработке больших объемов информации в сочетании с необходимостью ее передачи по оптическим линиям связи, а также потребностями в создании суперкомпьютеров. Во-вторых, бурным развитием инте-
тральной, волоконной и нелинейной оптики, которое, с одной стороны, ставит перед исследователями задачу создания принципиально новых чисто оптических приборов и устройств, а, с другой стороны, создает технологическую базу, необходимую для их решения. В-третьих, принципиальным ограничением на быстродействие электрических и электрооптических переключателей.
Основы теории резонансного туннелирования волн были заложены в 60-е годы Л.В.Иогансеном. В последующей серии работ ЛВ.Иогансена и В.В.Малова предложены и всесторонне проанализированы конкретные эффекты и устройства, использующие резонансное туннелирование волн различной природы.
До последнего времени эксплуатировались простейшие структуры и эффекты резонансного туннелирования, теория которых была разработана еще в 60-е годы. Бурный прогресс последних лет в технологии изготовления оптических волноводов и сверхрешеток открыл возможность реализации тонких эффектов резонансного туннелирования.
Цель работы - выяснение физической картины и расчет конкретных эффектов резонансного туннелирования электромагнитных волн в оптических кольцевых резонаторах и электронов в структуре с квантоворазмер-ными слоями.
Научная новизна и практическая ценность. В работе предложен метод расчета характеристик кольцевых туннельных резонаторов. Основной акцент сделан на рассмотрении нестационарных процессов. Найдены характерные времена, определяющие работу резонатора. Проанализированы преимущества активного резонатора. Проведен расчет резонансного туннельного тока электронов с учетом рассеяния. Предложено явление токовой бистабильности.
Полученные результаты создают фундамент для разработки и расчета новых устройств, использующих резонансное туннелирование электромагнитных волн в кольцевых волноводах и электронов в структурах с квантоворазмерными слоями.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Расчет резонансного туннелирования света в кольцевых туннельных структурах с произвольным числом резонаторов (распространение, отражение, прохождение волн).
-
Определение характерных времен. Показано, что времена туннелирования света через крайние связи и времена туннелирования через внутренние связи принципиально по-разному зависят от коэффициентов туннельной прозрачности соответствующих связей.
-
Расчет коэффициентов прохождения прямоугольного и гармонического сигнала для однокольцевого резонатора.
-
Определение условия согласования параметров однокольцевого и двух-кольцевого резонаторов, обеспечивающего максимальное значение коэффициента прохождения.
-
Анализ явления оптической бистабильности в активном однокольцевом туннельном резонаторе. Обсуждено влияния усилителя на условия реализации бистабильности, способы переключения состояний, характер переходных процессов.
-
Расчет резонансного туннельного тока электронов с учетом рассеяния и пространственного заряда, накапливаемого в ямах. Анализ явления токовой бистабильности.
Апробация, публикации, личный вклад автора. Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1-3]. Кроме того, они докладывались на семинарах кафедры математики физического факультета МГУ 17 февраля 1997 года, кафедры физики колебаний физического факультета
МГУ 21 марта 1997 года, на кафедре физики МГТУ "Станкин" 2 февраля 1998 года. В работах, выполненных совместно с соавторами, вклад автора состоит в проведении расчетов, анализе и обсуждении полученных результатов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 115 страницы машинописного текста, 24 рисунка и список литературы из 66 наименований на 9 страницах, всего 124 страницы.