Оптически управляемые модуляторы света

holo_write

Здесь описан пространственно-временной модулятор света, работа которого основывается на уширении линии экситонного поглощения в электрическом поле. Такие линии, соответствующие переходам с образованием экситонов, имеют многие полупроводниковые кристаллы вблизи края фундаментального поглощения при низких температурах. Будучи чрезвычайно узкими, они уширяются в электрическом поле при напряженности поля выше некоторой критической. Ее величина зависит от параметров экситонов, таких как эффективная масса, радиус первой боровской орбиты, энергия связи экситона и составляет 105 … 106 В/ом. В этом случае интенсивность светового монохроматического (лазерного) пучка, проходящего через полупроводниковый кристалл и ослабленного экситонным поглощением, резко возрастает в момент включения электрического импульса.

Рассматриваемый ПВМС представлял собой структуру МДП и состоял из тонкого (до 0,3 мкм) эпитаксиального слоя селенида кадмия, выращенного на слюде, и напыленных с обеих сторон прозрачных электродов. При одновременной подаче на него импульса напряжения (поле до 105 В/ем) и светового сигнала на длине волны излучения гелий-пеонового лазера 633 нм), лежащей в области фундаментального поглощения кристалла, рождаемые электронно-дырочные пары разводились полем и на границе раздела полупроводник – диэлектрик захватывались ловушками, обладающими экснтонными уровнями. Образованный потенциальный рельеф приводил к зависящему от пространственной координаты ущирению линии экситронного поглощения (соответственно распределению интенсивности в сечении возбуждающего пупка) и сохранялся в течение суток после снятия электрического поля.

Считывание осуществлялось па длине волны экситопного поглощения излучением рубинового лазера на λ=690 нм. Амплитудный контраст был при этом невелик, около 6 : 1. Однако длина волны считывания находится в области аномальной дисперсии материала, благодаря чему изменение показателя преломления, а следовательно и фазовый контраст, достигали большой величины – до 0,5. Чувствительность ПВМС (пороговая) составляла 10-7…10-8 Дж/см2; время включения отклика около 1 мкс. Стирание информации осуществлялось электрическим полем или внешней засветкой структуры, выравнивающими потенциал на границе полупроводник — диэлектрик.

Серьезными недостатками структуры являются необходимость глубокого охлаждения полупроводника (около 90 К) и связанное с ним вакуумирование, недостаточно высокий оптический контраст, узкий спектральный диапазон чувствительности и трудность подбора рабочей пары — истопника излучения и соответствующей линии экситонного поглощения. Заметим, что последний недостаток частично может быть ослаблен при использовании полупроводниковых инжекционных лазеров и близких к ним по составу полупроводниковых пластин, например на основе тройного соединения GaAIAs. Кроме того, некоторые полупроводники, например селенид галлия, имеют интенсивные линии экситонного поглощения при комнатной температуре.

В оптически управляемом ПВМС на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник легко обеспечить изменение электрического поля в полупроводнике под влиянием внешнего излучения и в случае использования эффекта Франца—Келдыша.

В работе для этих целей использовалась несимметричная МДП-структура. На слой арсенида галлия толщиной 3 мкм, выращенный эпитаксией на полуметаллической подложке фосфида галлия, наносился диэлектрик (нитрид кремния) толщиной около 100 нм. Поверх структуры напылялись полупрозрачные золотые электроды. При приложении импульса электрического напряжения амплитудой 50 В большая часть его падала в слое арсенида галлия, создавая обедненный носителями заряда слой. Излучением гелий-неонового лазера на λ=633 нм можно было управлять концентрацией генерируемых неосновных носителей в слое напряжения. При полной релаксации неравновесного обедненного слоя практически все приложенное напряжение падало на слое диэлектрика, так что уровень пропускания ПВМС в освещенных участках структуры характеризовался отсутствием в них электрического поля.

Для считывания производимых полем (светом) изменений коэффициента поглощения Δа=105см-1 использовался полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 880 нм, лежащей на краю зоны фундаментального поглощения полупроводника. Чувствительность к возбуждающему излучению, измеренная по максимальному контрасту (около 20), составила 104 Дж-1см2 и в последующих работах была улучшена до 105 Дж-1см2, быстродействие определялось временем релаксации области пространственного заряда и было не хуже 5-10-6 с. Эффективность модуляции света, однако, не превышала 1 %.

Приведенные результаты нельзя считать удовлетворительными. С гораздо лучшими характеристиками осуществляется модуляция света на эффекте Франца-Келдыша в адресуемых электрическим полем ПЗС-структурах. Они могут управляться и оптически.

Оставьте комментарий к статье