Indice de refração e guias de ondas em lasers de GaAs

Orientador: Frederico Dias NunesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Neste trabalho calculamos a variação das partes real e imaginária do índice de refração complexo, devida à injeção de portadores. Nossos cálculos foram feitos para GaAs tipo p, com uma densidade de , impurezas de: NA = l,5.l018 e ND = 3,1017cm-3. A parte real do índice de refração foi calculada através da absorção e das relações de dispersão de Kramers-Kronig modificadas. No cálculo da absorção foram levados em conta: i ) redução na energia da banda proibida produzida pelos portadores nas bandas; ii ) presença de caudas nas bandas de condução e valência como consequência da elevada concentração de impurezas; iii ) influência dos portadores injetados, nas caudas das bandas e no elemento de matriz das transições. Para injeção acima de n0=1.1018cm-3, nós obtivemos que a variação do índice de refração com a injeção n tinha a forma: DN ~ -An+B(hn), sendo que a constante B depende da energia do fóton e é da mesma ordem do que o termo -An para as injeções normalmente usadas nos lasers. Para injeções menores do que n0, DN se aparta da relação de linearidade com n; e ainda para injeções menores do que n' ~ 7.1017cm-3, a variação se torna positiva. A partir dum perfil na densidade de portadores injetados, aplicando nossos resultados acima citados, obtivemos um perfil do índice de refração complexo ao longo da junção. Se discute a influência deste perfil no guiamento na direção paralela à junção dum laser. Um perfil do índice de refração real na direção paralela à junção do tipo sech2( y/y') foi usado para se resolver a equação de onda e obter os modos permitidos pela cavidade; com este perfil conseguimos explicar os dados experimentais da variação na separação em comprimento de onda entre os modos adjacentes transversais paralelos a junção. São discutidos os campos próximo e distante resultantes deste perfil. O caso de lasers de heteroestrutura dupla é discutido, e se obtém uma variação efetiva no índice de refração a qual depende da injeção, da variação de temperatura e do fator de confinamento. Finalmente, algumas aplicações dos nossos cálculos foram feitas, obtendo-se expressões, para a variação com a temperatura dos parâmetros hc e hv que medem a profundidade das caudas, e para o ganho em função da injeção e da energia (válida para energias em torno daquela correspondente a gmax)Abstract: In this work, we calculated the variation of the real and imaginary parts of the complex refractive index, due to carrier injection. Our calculations were made for p-type GaAs with density of impurities: NA = 1.5×10l8 , ND = 3×10l7cm-3. The real part of the refractive index was calculated through the absorption coefficient and modified Kramers-Kronig dispersion relations. In calculating the absorption we taken into account: i ) bandgap shrinkage due to carrier exchange interaction; ii ) tails in the conduction and valence bands arising fran the high impurity density; iii ) injected carrier influence on the bandtails and on the transition matrix elerrent. We obtained that for injection greater than n0 = 1×l018cm-3, the refractive index variation with injection is: DN ~ -An+B (hn), where B is a constant depending on the photon energy and of the same order that the term -An for the normal injection used in lasers. For carrier injection less than n0, DN apparts from the linearity with n; and if n is less than n' ~ 7×10l7cm-3, DN will be positive. By using an injected carrier density profile, we applied our results cited above, and obtained a complex refractive index profile along the junction. The influence of this profile on guiding along the junction was discussed. We used a real refractive index profile along the junction plane of the form sech2( y /y') into the wave equation to obtain the permitted cavity modes; using this profile, we explained experimental data on the wavelenght separation variation between adjacent modes transverse parallel to the junction plane. We discussed the near - and far-field radiation patterns resulting from this profile. The double-heterostrocture laser case is discussed, obtaining an effective refractive index variation depending on carrier injection, temperature variation and confinement factor. Finally, sare applications of our calculations were made, resulting in expressions: for the temperature variation of the bandtail parameters hc and hv, and for the gain as a function of carrier injection and photo energy (valid for energies around of that corresponding to gmax)DoutoradoFísicaDoutor em Ciência