Полупроводниковые модуляторы света

3

Быстродействующие эффективные ПВМС созданы на основе эффекта Франца-Келдыша в полупроводниках. Он заключается в сдвиге электрическим полем края фундаментального поглощения в область меньших энергий фотона. Эффект обусловлен фототуннелированием и находит теоретическое объяснение на основе соотношения неопределенности для импульса и координаты электрона (она не может быть определена) во внешнем поле Е. Связанные с этим изменении коэффициента поглощения а полупроводника на частоте фотона w0 соответствуют краю запрещенной зоны. S характеризует крутизну края зоны в отсутствие электрического поля, когда а=а0.

Отсюда вытекают следующие основные требования к материалам для модуляции света:

· ширина запрещенной зоны hw0 должна быть такой, чтобы край поглощения находился при нужной длине волны света;

· кристалл должен иметь высокое удельное сопротивление и невысокую фотопроводимость во избежание рассеяния в нем большой мощности;

· край поглощения должен быть крутым и, следовательно, кристаллы должны быть достаточно чистыми, без дефектов и механических напряжений;

· приведенная эффективная масса должна быть возможно меньшей, что способствует снижению рабочей напряженности поля.

Хотя экспериментально в полупроводниках достаточно сильное гашение проходящего света электрическим полем наблюдалось давно для целого ряда полупроводниковых кристаллов (сульфиды кадмия и цинка, кремний, арсенид галлия, йодиды свинца и ртути и др.), серьезные успехи по применению эффекта Фран-Келдыша в ПВМС сделаны лишь совсем недавно. Это обстоятельство обусловлено, кроме трудностей выполнения вышеуказанных условий, также технологическими проблемами создания эффективных гетероструктур, р-n переходов, барьеров Шотки в системе металл-полупроводник и т. п., в которых легче обеспечить в тонком слое воздействие управляющего электрического поля на оптическое излучение.

В настоящее время эффективная модуляция света на основе эффекта Франца-Келдыша реализована в структуре приборов с зарядовой связью. Первый экземпляр ПВМС представлял собой линейку из 16 МДП-элементов с арсенидом галлия n-типа в качестве полупроводника (толщина 2,5 мкм, плотность легирующей примеси 3*1015 см-3). Он был выращен эпитаксией на полуизолирующей подложке арсенида галлия (толщина 300 мкм), легированного хромом. На поверхности структуры создавалась периодическая последовательность электродов из титана, образующих с полупроводником барьер Шотки. Каждый период последовательности включал два непрозрачных электрода (на них дополнительно осаждалось золото) и один полупрозрачный с пропусканием 40% на длине волны около 0,9 мкм. Геометрия всех электродов такова: поперечный относительно оси линейки размер элементов и шаг структуры — 33 мкм, ширина каждого из электродов — 9 мкм с промежутком между ними 2 мкм. Такая структура обеспечивала пространственную периодичность оптических сигналов в линейке при распространении света вдоль нормали к плоскости полупроводниковой пластины.

Структура ПЗС работала по хорошо известной трехфазной схеме. В исходном состоянии, вследствие приложения напряжения, области под полупрозрачными электродами обеднены электронами и существует электрическое поле, спадающее в глубину полупроводника (на границе с подложкой оно равно нулю). Для света с длиной волны, равной ширине запрещенной зоны при комнатной температуре, λ=870 нм, или чуть большей, но попадающей в область размытия края зоны, существует сильное поглощение, и интенсивность светового пучка па выходе из подложки минимальна. При посылке по полупроводниковому слою группы (последовательности) зарядовых пакетов поле в объеме полупроводника под полупрозрачными электродами периодически частично или полностью (в зависимости от величины пакета) компенсируется. Это приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны полупроводника и к уменьшению поглощения в соответствии с уменьшением амплитуды поля.

На практике тактовая частота посылки электрических сигналов составляла 1,6 МГц. Оптический импульс включался в момент прохождения последовательности зарядовых пакетов под всеми полупрозрачными электродами, и фиксировалась мгновенная картина пропускания света структурой. При изменении потенциала в области модуляции света в полупроводнике на 30 В пропускание увеличивалось в 2,7 раза, а эффективность модуляции составила 0,38. В качестве источника импульсов света, синхронизованных по тактовой частоте посылки зарядовых пакетов, использовались полупроводниковые лазеры на длине волны 0,905 мкм или светодиоды, в спектральной области излучения которых с помошыо интерференционных фильтров (полуширина 0,01 мкм) вырезались узкие полосы с длинами воли 0,89 и 0,90 мкм.

Приведенные данные указывают на перспективность использования этого метода. В последующем был создан матричный ПВМС, представляющий собой набор рассмотренных выше линеек. Их адресация осуществлялась так же, как и в магнитооптических ПВМС — последовательностями электрических сигналов. По принципу адресации эти ПВМС подобны и многоканальному акустооптическому ПВМС, в котором используется набор пьезопреобрйзователей на одном акустооптнческом кристалле. Как возбуждаемые ими цуги акустической волны параллельно (но один за другим в каждом канале) пробегают вдоль толщи кристалла, так и различные последовательности зарядовых пакетов пробегают вдоль своих линеек с электродами, пока не занесут информацию во всю матрицу.

Рассмотрим дополнительно физический аспект модуляция света в ПВМС на основе ПЗС-структуры и возможности метода. Чтобы определить эффективность модуляции, нужно рассмотреть распределение электрического поля в ячейке ПЗС. При однородном легировании эпитаксиалыюго слоя полупроводника n-типа толщиной L полное падение потенциала в «пустой» ячейке, т. е. в отсутствие зарядового пакета, дается выражением

Vl=qNdL/2kEo,

где ква — диэлектрическая константа. Приложенное электрическое поле спадает линейно с расстоянием х вглубь полупроводника, причем глубина полного обеднения достигает подложки (x=L) при

Emax=qNctL/ke()=2VL/L.

При меньшем значении приложенного электрического поля заполнение ячейки зарядами составляет некоторую долю от максимально возможной величины nmax=NtL.

С ослаблением поля вглубь полупроводника связано изменение коэффициента поглощения и амплитудного пропускания ячейки.

Параметрами типичного ПВМС на основе арсенида галлия являются: Na = 1016 см-3; V=20 В; k=13,2; L=1,7 мкм; длина ячейки —70 мкм на λ=890 нм и 230 мкм на λ=905 нм, поскольку с увеличением λ электропоглощецие уменьшается.

Так как диапазон длин волн ограничен значением 890…900 нм, то наиболее приемлемыми излучателями являются импульсные одномодовые полупроводниковые лазеры. Расчет показывает, что при использовании матричного ПВМС размером 200X200 ячеек в схеме спектрального анализа формируемых сигнальных массивов и при регистрации результата фурье-преобразования с помощью фотоприемной ПЗС-структуры необходим лазер с энергией 10-7 Дж в импульсе длительностью до 1 мс, т. е. с пиковой мощностью 0,1 мВт.

Сравнительные оценки показывают перспективность использования ПВМС для обработки радиосигналов. Несмотря на то, что частота ввода сигналов здесь несколько меньше, чем у акустооптических модуляторов, полупроводниковые ПВМС имеют большую размерность—200×200 элементов (может быть легко увеличена до 1000х1000), достаточно высокий динамический диапазон обработки сигналов – до 37 … 40 дБ, весьма малые габаритные размеры и хорошую стыковку с фотоприемными матрицами.

Оставьте комментарий к статье