Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные данные исследования нанокристаллических структур 18
1. Описание квантово - размерных структур, их классификация и нелинейно — оптические свойства 18
2. Методы получения нанокристаллических структур 30
3. Анализ оптических свойств реализованных гетероструктур 42
Выводы по первой главе 47
Глава 2. Теоретические модели для обоснования расчетных методов 47
1. Ангармоническое слабо — диссипативное приближение 47
2. Нестационарное самосогласованние уравнение Шредингера (упругое приближение) 60
3. Расчетные параметры прохождения частиц через квантово — размерные структуры 73
Выводы по второй главе 80
Глава 3. Техническое применение нанокристаллических структур 82
1. Оптический переключающий элемент 82
2. Интерферометр Фабри-Перо 96
Выводы по третьей главе 115
Литература 118
Приложение
- Методы получения нанокристаллических структур
- Анализ оптических свойств реализованных гетероструктур
- Нестационарное самосогласованние уравнение Шредингера (упругое приближение)
- Интерферометр Фабри-Перо
Введение к работе
Бурный прогресс в последние десятилетия ХХ-го века в решении технических задач создания миниатюрных высокопроизводительных компьютерных систем разнообразного применения, потребовал развития экспериментальных, технологических и теоретических исследований в области нанотехнологий. Комплексный характер соответствующих разработок, лежащих на стыке нескольких смежных дисциплин (физика полупроводников, квантовая электроника и нелинейная оптика, а также теория неупорядоченных сред), по созданию нанокристаллических гетероструктур на основе полупроводниковых соединений, экспериментальных исследований их нелинейных оптических свойств; методы моделирования их свойств на основе слабо - диссипативной теории Колмогорова - Арнольда - Мозера, а также нестационарного самосогласованного уравнения Шредингера на основе нелинейного дисперсионного соотношения; предложения по совершенствованию методик изготовления и исследования свойств соответствующих образцов, обуславливает их сложность и нетривиальность адекватных решений.
Необходимо сразу же подчеркнуть, что развитие нелинейных моделей и соответствующих представлений теоретической физики и их приложений, восходящее к основополагающим работам Л. Больцмана, Дж. Гиббса по статистическим основам молекулярной физики, приобрело несомненную актуальность во второй половине ХХ-го столетия в связи с указанным выше развитием прикладных задач.
В данной диссертации представлены результаты анализа нелинейно-оптических, спектральных и кинетических свойств тонкопленочных кванто-во-размерных структур; приведены способы изготовления и технической реализации на их основе узкополосных интерферометров Фабри - Перо и быстродействующих оптических переключателей.
Цель работы. Разработка и исследование способов изготовления быстродействующих бистабильных оптических элементов для создания на их основе элементной базы оптической цифровой вычислительной техники, использующих наведенную нелинейность электронной природы. Применение современных нелинейных моделей математической физики для анализа свойств нанокристаллических полупроводниковых гетероструктур.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели:
- Провести классификацию имеющихся нанокристаллических структур, подготовить обзор экспериментальных данных по исследованию их нелинейных оптических свойств;
- Выполнить модельные расчеты и подгонку параметров моделей к экспериментальным данным по полупроводниковым нанокристалличе-ским гетероструктурам;
- Осуществить разработку новых предложений по дальнейшему развитию исследований;
- Разработать рекомендации по технической реализации, предложенных усовершенствований.
Научная новизна работы. Существующие квазинульмерные полупроводниковые тонкопленочные гетероструктуры на сегодня представляют собой композиционные материалы из вкраплений нанокрокристаллов в неупорядоченную среду матрицы. Теория неупорядоченных систем в настоящее время далека от своего завершения, несмотря на достаточно большое количество монографий и научных публикаций.
В диссертации предложено использовать для моделирования свойств (и выработки предложений по их реализации) указанных выше структур новые нелинейные модели математической физики: слабо - дисси-пативную версию теории Колмогорова - Арнольда - Мозера на примере ангармонического осциллятора и слабо - диссипативного возмущения силами (нелинейными) вязкости; самосогласованное нестационарное уравнение Шредингера на основе нелинейного дисперсионного соотношения. Впервые выполнены соответствующие расчеты физических величин таких как энергия квазистационарных состояний, средние величины пробегов и т.п. в рамках предложенных нелинейных моделей, произведены подгонка параметров, использованных в предложенных моделях и сравнение результатов расчета с имеющимися на сегодня экспериментальными данными (получено совпадение с точностью до 3%). В модельных расчетах впервые произведена сепарация динамики, соответствующей так называемой стохастической диффузии паутины Арнольда от асимптотически (не) устойчивых периодических режимов динамики. Результаты расчетов проверены на основе экспериментальных данных по голубому статическому сдвигу фундаментального поглощения.
Для самосогласованного нелинейного уравнения Шредингера на основе нелинейного дисперсионного соотношения получены модельные оценки времен просветления и фотостмулированного затемнения гетерогенных сред.
На основе полученных результатов выработаны новые рекомендации по совершенствованию интерферометров Фабри - Перо и безрезонатор-ных оптических ключей.
Научно - практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют лучше понять природу изменения нелинейно-оптических свойств в тонкопленочных квази нульмерных гетер о структур ах. В условиях квантово-размерных сред, в которых характерный размер образца d сравним с параметрами квазичастиц ав, ае, ап - радиусом первой боровской орбиты эк-ситона, электрона и дырки соответственно, при потере степени свободы в направлении квантования, происходит снижение эффективной размерности системы и, как следствие, кардинальное изменение законов дисперсии квазичастиц, что в свою очередь приводит к появлению новых физических свойств существенно отличающихся от свойств массивных образцов. Например, помимо усиления оптической нелинейности среды могут наблюдаться статический и динамический сдвиги края фундаментального поглощения исходного материала. Предложенные способы создания квазинульмерных структур по зволяют уже на этапе их получения задавать требуемое свойство полупро водниковых пленок для целого ряда устройств - фотопреобразователей, ин терференционных фильтров, нелинейных беззеркальных слоев, планарных . волноводов и интерференционных элементов пикосекундного быстродейст вия.
Методы получения нанокристаллических структур
Микрокристаллические пленки с размером микрокристаллов d - аБ изготовленные из одного исходного материала, — первые пленочные квазинульмерные среды, в которых были зарегистрированы эффекты квантования движения электронно-дырочной подсистемы. Для их синтеза использовались два метода -— химическое осаждение [18,19] и лазерное испарение в вакууме [16]. В пленках, полученных химическим осаждением на охлаждаемые подложки, факт квантования движения носителей был установлен по коротковолновому сдвигу края поглощения и полосы фотолюминесценции (ФЛ) в зависимости от размера микрокристаллов d. Используемая технология синтеза [18] не позволяла контролировать размер микрокристаллов. Такие среды склонны также к перекристаллизации, и квантово-размерные эффекты регистрировались лишь на свежеприготовленных образцах.
Для изготовления вакуумных пленок с контролируемым размером микрокристаллов нами использовался принцип дискретности набора полной толщины экспериментальных образцов. При этом размер микрокристаллов искусственно ограничивался толщиной однократно напыляемого микрослоя. Именно этот эффект лежит в основе изобретения [21]. Были выбраны такие параметры режима напыления (мощность лазерного излучения, температура подложки, расстояние мишень— подложка), при которых дозировка испаряемого вещества за один импульс позволяла формировать микрослой не только заданной толщины, но и микрокристаллического состава. "Замораживание 1 процессов перекристаллизации осуществлялось за счет варьирования временной паузы между испаряющими импульсами в диапазоне, необходимом для завершения процесса кристаллизации микрослоев.
Установлено [19,20], что структура однократно напыляемого микрослоя при малой кинетической энергии атомарного пара не зависит от материала подложки и, как правило, представляет собой микрокристаллическую пленку, плотность упаковки в которой задается температурой подложки. Качественно достижение размера микрокристаллов на уровне d Зав, необходимом для проявления эффектов размерного квантования, регистрировалось по наличию голубого сдвига спектра пропускания экспериментальных образцов по отношению к спектру пленочных эталонов аналогичной оптической толщины. Количественно размер микрокристаллов оценивали методами электронной микроскопии "на просвет" с предельным разрешением до 0,1 нм. Сопоставление толщины микрослоя, размера микрокристаллов d и величины голубого сдвига з спектре пропускания результирующего образца использовалось при оптимизации режимов испарения пленкообразующегю материала.
Микрокристаллические CdSe-пленки, сформированные на подложках из стекла К8, обладают статическим голубым сдвигом края поглощения и полосы ФЛ, коррелирующим со средним размером микрокристаллов d [12]. При возбуждении таких структур импульсами длительностью т =6 пс отмечены просветление и динамический сдвиг края поглощения с временами релаксации г «25 пс (Приложение рис.2,а,в) [16]. Отсутствие проявления дискретных энергетических уровней, обусловленных квантованием движения электрона и дырки, в спектрах пропускания пленок CdSe с контролируемым размером микрокристаллов вплоть до d =1,5 нм можно объяснить в данном случае высокой концентрацией микрокристаллов, приводящей к перекрытию волновых функций электронов соседних микрокристаллов и возникновению непрерывного энергетического спектра носителей.
Проявление уровней размерного квантования при комнатной температуре в нестационарных спектрах пропускания возможно во временном диапазоне короче времен установления термодинамического равновесия электронной подсистемы (t 7 пс [23]). Об этом свидетельствуют результаты исследования динамики спектра пропускания микрокристаллических CdSe-пленок, сформированных на монокристаллических CaF2 -подложках с размером микрокристаллов d»6 нм, при возбуждении образцов импульсами длительностью тр к 3 пс (Приложение рис. 2,г). При "нулевых" временных задержках At =0,3...3 пс в коротковолновой части спектра исследуемого образца наблюдаются две области просветления с максимумами около 1, »610 нм и Я2 =в 650нм (Приложение рис. 2,г, кривые 1-3). Увеличение времени задержки до 7 пс сопровождается расширением спектральной области просветления в сторону низких энергий вплоть до края поглощения = А, «680 нм (Приложение рис. 2, т, кривая 4). Максимальная величина просветления приходится на прикраевую область спектра образца и соответствует изменению коэффициента поглощения Аа(Хй=6В0 нм) 7-Ю3 см"1, коррелирующему с оценками выполненными в работе [23] (Прило жение рис.2.б и Приложение рис. 3,в, кривые 1). Изменение поглощения в двух дру гих областях составляет Ла(Л0 =610 нм) —2.5-10 см и Ла(А0 =650 нм) « —5-10 см (рис. 3,а,б, кривые 1), Кинетики релаксации просветления, измеренные вблизи максимумов ЛІ,Л2 и Ар носят сложный характер (Приложение рис, 3, кривые 3). Значения вре щ мен первой компоненты релаксации просветления полос и 1, составляют примерно 5.,.8 пс. Релаксация нелинейности в области края поглощения (Я,=680 нм) является более длительной и характеризуется временами -20...30 пс.
Временную задержку процесса последовательного просветления полос от коротковолновой к длинноволновой (Приложение рис. 2, г) при возбуждении существенно выше положения соответствующих уровней размерного квантования можно связать с перераспределением носителей в процессе их релаксации к дну зоны проводимости. Первые компоненты динамики затухания просветления (с временами 5...8 пс) определяются временами релаксации носителей с уровней размерного квантования. Существенную роль в формировании последующих компонент в кинетике релаксации нелинейности могут играть зона—зонная рекомбинация носителей и тепловые процессы. Оценки показывают, что в объемном CdSe время излуча-тельной рекомбинации тг и 1 не. Меньшие значения т, измеренные в микрокристаллах размером d 3а в области края фундаментального поглощения, свидетельствует о наличии каналов быстрой рекомбинации носителей. Сложный характер релаксации просветления (с временами 0,3; 7; 100 пс) отмечен также и в микрокристаллических пленках CdSx Sei.x (d =:4...20 нм) [20 ].
Анализ оптических свойств реализованных гетероструктур
Вся партия исследуемых образцов изготавливалась одинаковой оптической толщины полупроводникового материала пі, что позволяло однозначно интерпретировать изменения в коротковолновой области спектра пропускания за счет изменения размера микрокристаллов d. В данном случае пі = Лф/2, где Хф =680 нм. Не трудно оценить, что для гетеросистемы CdSe/CaF2 задаваемый размер микрокристаллов CdSe должен составлять d «5.1 нм, т.к. технологически контролируемая толщина микрослоев CdSe составляет 1 = Яф/64л(Я,,) Микрофотографии структуры исследуемых образцов на основе селенида кадмия, полученные с помощью электронного микроскопа JEM - 100Х "на про свет" с ускоряющим потенциалом 100В и одинаковым увеличением 300 000 (1 мм на микрофотографии соответствует 3 нм), показывают, что с помощью диафраг мирования в случае многослойной гетероструктуры формируются микрокристал лические слои CdSe заданного размера микрокристаллов d «5.1 нм (Приложение Рис. 12а), что соответствует режиму среднего квантования d « аБ (образец №1). Вследствие чегодля этого образца зарегистрирован характерный для квантово—-размерных сред коротковолновый сдвиг края фундаментального поглощения (Приложение Фиг. 11, кривая 1) по отношению к спектру образцов, полученных непрерывным резистивным и ЭЛИ напылением (кривые 2 и 3 соответственно), а также по отношению к образцу CdSe, сформированному описанным дискретно—слоевым способом за счет диафрагмирования, но без использования разделительных микрослоев диэлектрика (Приложение Рис. 11, кривая 4).
Приведенные на Рис. 14 (Приложение) микрофотографии и соответствующие им дифрактограммы фазового состава исследуемых образцов, а также результаты исследования статического края поглощения, приведенные на Рис. 11 (Приложение) показывают, что образцы CdSe/CaF2 — это квазинульмерные микрокристаллические гетероструктуры, состоящие из совокупности микрокристаллов CdSe и CaF2 кубической модификации. При этом микрокристаллы CdSe имеют заданный размер d порядка радиуса экситона исходного монокристалла. Образец No.3 представляет собой плотно упакованную поликристаллическую пленку CdSe с размером микрокристаллов d 15...20 нм. Показатель преломления и ширина запрещенной зоны этого образца согласно оценкам, проведенным с использованием спектров пропускания [50], соответствуют параметрам монокристалла CdSe, вследствие чего данный образец использовался как эталонный при оценке изменения оптических свойств остальных экспериментальных образцов. Образцы No.2 и No.4 — микрокристаллические пленки CdSe с размером микрокристаллов dv 15. .20 нм, что приводит к смещению спектральных характеристик в длинноволновую область спектра вследствие размерных эффектов на уровне длины волны свободного пробега электрона [51]. Причина столь высокого укрупнения микрокристаллов CdSe в случае образца No. 4 по отношению к образцу No. ] связана с процессами перекристаллизации отдельных пленочных микрослоев при наборе полной толщины образца No.4 вследствие его отжига за счет разогрева вакуумной камеры термическим источником. Преобладание размерных эффектов в микрокристаллических пленках CdSe с d = 15...20 нм, проявляющееся в длинноволновом "красном" сдвиге края поглощения, обусловлено не столько размером микрокристаллов, сколько уменьшением барьерного потенциала на их границе за счет размещения микрокристаллов в аморфной матрице исходного материала, а следовательно, частичной компенсацией оборванных связей кристаллической решетки, и высокой неоднородностью структуры образцов, получаемых резистивным испарением одного материала.
Таким образом, наблюдаемый на Рис. 11 (Приложение) сдвиг спектральной характеристики тонкопленочной гетероструктуры CdSe/CaF2 в коротковолновую область спектра может быть объяснен в рамках размерного квантования движения электронно-дырочной подсистемы. Дальнейшее уменьшение размера микрокристаллов CdSe в гетероструктуре CdSe/CaF2 , т.е. достижение размеров d я 1 нм, сопровождается аморфизацией микрослоев CdSe вследствие малой концентрации и кинетики атомарного пара при таком методе испарения, что ухудшает оптические характеристики получаемых образцов.
Расширение спектральной области прозрачности за счет дискретно-слоевого напыления чередующихся микрослоев полупроводника с размером микрокристаллов d, определяемым из выражения: d = (0.2—3,0)аЕ,нм, и диэлектрических микрослоев было достигнуто и при использовании более энерге-тичного метода напыления тонкопленочных покрытий —ЭЛИ метода. В данном случае в качестве рабочей среды был использован селенид цинка -ZnSe, а в качестве диэлектрического материала — Si02 . Для искусственного формирования микрокристаллов ZnSe такого диаметра были использованы диафрагмы с размером сегмента, ограничивающим толщину однократно напыляемого микрослоя величиной 1N- Яф 1 Шп(АА ) . Для Хф =600 нм технологически задаваемый размер микрокристаллов составлял d « 3 нм.
Используемая при ЭЛИ напылении установка — промышленный вариант типа ВУ-1 А. Режимы испарения в данном случае выбирались таким образом, чтобы осаждаемые микрослои исходных материалов были стехиометричны, а их структура — микро-кристаллична в случае полупроводниковой среды ZnSe и аморфна в случае 8Юг -диэлектрика.
Микрофотографии структуры исследуемых образцов, полученных ЭЛИ-методом, и соответствующие им дифрактограммы приведены на Рис. 10 (Приложение). А их спектральные характеристики — на Рис. 11 (Приложение).
Рис. 10а (Приложение) и кривая 1 на Рис.11 (Приложение) соответствуют искусственно сформированной гетероструктуре ZnSe/SiCh . Видно, что и в данном случае в спектре пропускания наблюдается характерный для квантово-размерных сред коротковолновый сдвиг края поглощения, величина которого коррелирует с микроструктурой образца ZnSe/SiOi , представляющей собой микрокристаллы ZnSe с размером d=s 4.5 нм плотно упакованные в аморфной SiCh -матрице. Различие диаметра микрокристаллов ZnSe и размера однократно напыляемого микрослоя связано с процессами перекристаллизации в его объеме при таком методе испарения. В силу указанной причины микрокристаллы ZnSe имеют форму дисков, в которых эффект квантования движения системы носителей достигается только в направлении перпендикулярном плоскости микрослоев ZnSe.
Нестационарное самосогласованние уравнение Шредингера (упругое приближение)
В последние годы такие уравнения в случае, когда коэффициенты являются постоянными функциями (константами), интенсивно исследовались в связи с развитием теории солитонов (см. [113], [121]). Обычно в теории солитонов группа симметрии аффинная (изредка группа Лоренца) при подходящем выборе независимых переменных. Уместно отметить, тем не менее, работу Колмогорова-Петровского-Пискунова (см. [100]). В этой работе отправляясь от уравнения стохастической диффузии, было предложено, по-видимому, впервые рассматривать нетривиальную однопараметрическую подгруппу в группе диффеоморфизмов прямой в качестве группы симметрии уравнения в частных производных.
Автомодельные решения в соответствии с теоремой Нетер (см.[58]) естественно приводят к обыкновенным дифференциальным уравнениям. Исследование обыкновенных дифференциальных уравнений, имеющее более богатую историю развития, является на первый взгляд более простой задачей.
В простейшем случае одно параметрической подгруппы на прямой, как в примере [100], мы получаем векторное поле на прямой. В работе [100] изучались асимптотики этого векторного поля и его фазовых кривых на бесконечности. Другими словами, речь шла об асимптотическом анализе в окрестности бесконечно-удаленной точки. Бесконечно-удаленная точка здесь может появляться в двух формах: в фазовом пространстве соответствующей динамической системы и на оси времени. В случае, отмеченном выше, асимптотический анализ выполнялся в бесконечно-удаленной точке на оси времени, так как в фазовом пространстве исследование ведется на компакте.
Поэтому статистическая физика на первый взгляд лежит далеко от подходов первого и второго пункта. На макропеременные в процессах квантовой статистики было предложено смотреть как на следы подходящих линейных операторов.
В последние годы было предложено синтезировать эти обособленные подходы в один, пользуясь понятием классической дуальности вектора и ковектора. К сожалению, эта дуальность традиционно усложняется требованием наличия метрики. Метрика упрощает понятие дуальности, но затрудняет понимание адекватных инвариантных геометрических конструкций в случае своего отсутствия. Методы дифференциальной геометрии, свободные от использования метрики, дают более естественные результаты в ряде приложений (см. [93 ],[122}).
Для эволюционных линейных частице - подобных уравнений использование идеи дуальности сильно упрощается. В фиксированный момент времени мы можем на решении частице - подобного уравнения вычислить значение фиксированного линейного функционала. Получаем в качестве значения скаляр. При изменении времени эта конструкция приводит к скалярной функции, зависящей от времени: значение функционала на решении зависит от времени в соответствии с моментом своего вычисления. Осталось сформулировать принцип дуальности: изменение вышеуказанной функции должно определять инварианты динамики.
Известны трудности предъявления таких инвариантов уже в теории обыкновен ных дифференциальных уравнений. Поэтому более простым требованием является существование инвариантных конечномерных (или бесконечномерных) пространств функций.
Для эволюционных частице - подобных уравнений, оказывается, такая схема сильно упрощает исследование динамики. Если потребовать существование достаточно большого инвариантного пространства линейных функционалов, то возникает самосогласованное дуальное уравнение с нетривиальной группой симметрии. В русскоязычной литературе такое явление называется замыканием системы (в альтернативу понятию открытой системы, в англоязычной литературе обычно используется термин master-equation). Точнее, технически проще оператор сдвига на прямой заменить оператором инфините зимального сдвига, т.е. оператором дифференцирования по времени5. Если спектр это го оператора стационарный (т.е. не зависит от времени), то мы приходим к классиче ской спектральной теории линейных операторов в подходящих функциональных про странствах. Как отмечалось выше (см. [85]), master-equation возникает вместе с группой симметрии ( группой автомодельности). Это позволяет свести задачу в одномерном случае к системе с одной степенью свободы, т.е. к динамической системе на плоскости. Фазовая кривая динамической системы на плоскости определяет непрерывную компоненту спектра оператора эволюции. В том случае, когда такая фазовая кривая (на +оо по времени или -да) входит в особую точку, можно получить информацию о дискретном спектре,
Интерферометр Фабри-Перо
Известен объемный интерферометр Фабри - Перо (ИФП). Он представляет собой две стеклянные или кварцевые пластинки, расположенные на некотором расстоянии L друг от друга, так что между внутренними поверхностями образуется плоско-параллельный зазор, заполняемый любой средой. На обращенные друг к другу плоскости наносятся отражающие покрытия - зеркала - с высоким коэффициентом отражения R. В качестве зеркал использовались как металлические слои, так и многослойные диэлектрические покрытия. ИФП является многолучевым спектральным прибором с двумерной дисперсией и высокой разрешающей способностью. При прохождении через ИФП сплошного излучения происходит его пространственные разложение в спектр, а при достижении нелинейного режима работы ИФП изменение оптических параметров его промежуточного слоя приводит к изменению интенсивности света на заданной длине волны [155].
Известны ИФП, состоящие из плоскопараллельной монокристаллической пластины неотражающих зеркал, которые могут быть как внешними, так и напыленными непосредственно на полированные поверхности пластины. Известные ИФП были реализованы на основе кристалла InSb (L «0.5 мм), охлажденного до 5 К, с использованием естественного френелевского отражения (R =36%) от его поверхности. При падении на интерферометр мощного излучения интенсивностью I меняются оптические параметры его нелинейного слоя и, как результат, - интенсивность прошедшего излучения. Нелинейная рефракция известных ИФП вызывается насыщением поглощения на межзонном переходе с характерным временем переключения т -500 не при мощности падающего излучения Р 8 мВт. [156]. Известный ИФП, содержащий в качестве промежуточного слоя монокристалл GaAs, а в качестве зеркал - тонкопленочные диэлектрические покрытия с R «90%, более сложен по конструкции. Промежуточный слой GaAs толщиной L «4.1 мкм, выращенный методом молекулярной эпитаксии между двумя слоями из А1 Ga As толщиной по I w0.2 мкм каждый, расположен на 150-микрометровой подложке из GaAs. В последней для прохождения светового пучка вытравливается отверстие диаметром 1-2 мм, после чего на систему напыляются отражающие покрытия. ИФП использует изменение показателя преломления за счет насыщения поглощения свободных экситонов, в силу чего, обладает более короткими временами переключения, но более высоким энергетическим порогом (rW 40 нс и Р w 200 мВт соответственно) [157]. К недостаткам известных ИФПэтого вида можно отнести большую массу и, как следствие, невозможность применения в интегральной оптике. Известные ИФП отличаются также возможность работы только при криогенных температурах (от 4 К до 120 К).
Известен также ИФП, в котором промежуточный слой представляет собой сверхрешетку, состоящую из 61 пары чередующихся микрослоев GaAs (I 33.6 нм) и -4 021 а079 As{/ —40.1 нм) (с общей толщиной L »2 мкм), границы раздела которых играют роль потенциальных барьеров, значительно \ъеличивающих энергию связи свободнък экситонов [158], Устройство на основе сверхрешетки в GaAs остается лучшим из реализованных элементов оптической логики. При толщине L 3 мкм и диаметре рабочей области 0-10 мкм, энергия и время переключения при комнатной температуре составляют соответственно Е «0.6пДж(Г « 500 Вт/см2) и rsw »200пс[159].
В известных устройствах при больших длительностях воздействия входное излучение приводит к нагреву ИФП, разрушающему экситонную нелинейность, благодаря чему удерживать устройство в состоянии высокого пропускания удается лишь в течение нескольких микросекунд
Известен также объемный ИФП, в котором промежуточный слой изготавливают в виде квазинульмерной структуры с трехмерным ітросгранственньїм ограничением движения носителей (в сверхрешетках это ограничение одномерно). Конструкция известного ИФП достаточно проста - плоскопараллельная пластина коммерческого стекла марки Hoya Y-52 толщиной I « 300 мкм с разнесенными на L 600 мкм внешними плоскопараллельными зеркалами с R = 90%. Основным недостатком долгое время являлась медленная тепловая нелинейность, используемая для логического переключения (при мощности возбуждения Р 18 мВт время переключения rsw 1 мс) [160]. Бистабильный отклик ИФП за счет пикосекундной электронной нелинейности, обуслоатенной размерным квантованием движения электронно-дырочной подсистемы, был зарегистрирован [161]. При диаметре рабочей области 0 и 10 мкм, энергия и время переключения известного ИФП составляют Е и 10 пДж (I 6 кВт/см ) и Tsw 25 пс, работа при комнатной температуре).
Известное устройство по причине того, что технология синтеза окрашенных стекол не позволяет поднять объемную концентрацию микрокристаллов выше единиц процентов и ограничивает выбор исходных материалов (и матрицы и микрокристаллов), ограничено в спектральном диапазоне рабочих частот и не может быть изготовлено в виде тонкопленочного элемента Фабри-Перо. В качестве промежуточного слоя в известных ТЛИ применяются однокомпонентные пленки произвольной структуры. Спектральные и нелинейные эксплуатационные характеристики известных ТЛИ задаются оптической толщиной и материалом промежуточного слоя. Были изготовлены узкополосные интерференционные фильтры, ТПИ-перекгаочатели и логические элементы на основе целого ряда высокопреломляющих и низкопреломляюших материалов. Чрезвычайно большой интерес к ТПИ-переключателям связан с принципиальной возможностью создания приборов на основе хорошо освоенного технологами вакуумного напьшения интер-ференшош 1ых структур [ 162].
