Напівпровідникові модулятори світла

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Модулятори світла » Напівпровідникові модулятори світла

Швидкодіючі ефективні ПЧМС створені на основі ефекту Франца-Келдиша в напівпровідниках. Він полягає в зрушенні електричним полем краю фундаментального поглинання в область менших енергій фотона. Ефект обумовлений фототунелюванням і знаходить теоретичне пояснення на основі співвідношення невизначеності для імпульсу і координати електрона (вона не може бути визначена) у зовнішнім полі Е. Зв’язані з цим зміні коефіцієнта поглинання а напівпровідника на частоті фотона w0 відповідають краю забороненої зони. S характеризує крутість краю зони під час відсутності електричного полючи, коли а=а0.

Звідси випливають наступні основні вимоги до матеріалів для модуляції світла:

· ширина забороненої зони hw0 повинна бути такий, щоб край поглинання знаходився при потрібній довжині хвилі світла;

· кристал повинний мати високий питомий опір і невисоку фотопровідність щоб уникнути розсіювання в ньому великої потужності;

· край поглинання повинний бути крутим і, отже, кристали повинні бути досить чистими, без дефектів і механічних напруг;

· приведена ефективна маса повинна бути можливо меншої, що сприяє зниженню робочої напруженості полючи.

Хоча експериментально в напівпровідниках досить сильне гасіння минаючого світла електричним полем спостерігалося давно для цілого ряду напівпровідникових кристалів (сульфіди кадмію і цинку, кремній, арсенід галію, йодиди свинцю і ртуті й ін.), серйозні успіхи по застосуванню ефекту Фран-Келдиша в ПЧМС зроблені лише зовсім недавно. Ця обставина обумовлена, крім труднощів виконання вищевказаних умов, також технологічними проблемами створення ефективних гетероструктур, р-n переходів, бар’єрів Шоткі в системі метал-напівпровідник і т.п., у яких легше забезпечити в тонкому шарі вплив керуючого електричного полючи на оптичне випромінювання.

В даний час ефективна модуляція світла на основі ефекту Франца-Келдиша реалізована в структурі приладів із зарядовим зв’язком. Перший екземпляр ПЧМС являв собою лінійку з 16 МДП-елементів з арсенідом галію n-типу як напівпровідника (товщина 2,5 мкм, щільність легуючої домішки 3*1015 див-3). Він був вирощений епітаксією на напівізолюючій підкладці арсеніду галію (товщина 300 мкм), легованого хромом. На поверхні структури створювалася періодична послідовність електродів з титана, що утворять з напівпровідником бар’єр Шотки. Кожен період послідовності включав два непрозорих електроди (на них додатково осаджувалося золото) і одним напівпрозорий із пропущенням 40% на довжині хвилі близько 0,9 мкм. Геометрія всіх електродів така: поперечний щодо осі лінійки розмір елементів і крок структури — 33 мкм, ширина кожного з електродів — 9 мкм із проміжком між ними 2 мкм. Така структура забезпечувала просторову періодичність оптичних сигналів у лінійці при поширенні світла уздовж нормалі до площини напівпровідникової пластини.

Структура ПЗС працювала по добре відомій трифазній схемі. У вихідному стані, унаслідок додатка напруги, області під напівпрозорими електродами збіднені електронами й існує електричне поле, що спадає в глибину напівпровідника (на границі з підкладкою воно дорівнює нулю). Для світла з довжиною хвилі, рівній ширині забороненої зони при кімнатній температурі, ?=870 нм, чи ледве більшої, але попадає в область розмиття краю зони, існує сильне поглинання, і інтенсивність світлового пучка па виході з підкладки мінімальна. При посилці по напівпровідниковому шарі групи (послідовності) зарядових пакетів поле в обсязі напівпровідника під напівпрозорими електродами періодично чи частково цілком (у залежності від величини пакета) компенсується. Це приводить до зменшення ширини забороненої зони напівпровідника і до зменшення поглинання відповідно до зменшення амплітуди полючи.

На практиці тактова частота посилки електричних сигналів складала 1,6 Мгц. Оптичний імпульс включався в момент проходження послідовності зарядових пакетів під усіма напівпрозорими електродами, і фіксувалася миттєва картина пропущення світла структурою. При зміні потенціалу в області модуляції світла в напівпровіднику на 30 В пропущення збільшувалося в 2,7 рази, а ефективність модуляції склала 0,38. Як джерело імпульсів світла, синхронізованих по тактовій частоті посилки зарядових пакетів, використовувалися напівпровідникові лазери на довжині хвилі 0,905 мкм чи світлодіоди, у спектральній області випромінювання яких за допомогою інтерференційних фільтрів (напівширина 0,01 мкм) вирізували вузькі смуги з довжинами волі 0,89 і 0,90 мкм.

Приведені дані вказують на перспективність використання цього методу. У наступному був створений матричний ПЧМС, що представляє собою набір розглянутих вище лінійок. Їхня адресація здійснювалася так само, як і в магнітооптичних ПЧМС — послідовностями електричних сигналів. За принципом адресації ці ПЧМС подібні і багатоканальному акустооптичному ПЧМС, у якому використовується набір п’єзоперетворювачів на одному акустооптичному кристалі. Як порушувані ними цуги акустичної хвилі паралельно (але один за іншим у кожнім каналі) пробігають уздовж товщі кристала, так і різні послідовності зарядових пакетів пробігають уздовж своїх лінійок з електродами, поки не занесуть інформацію у всю матрицю.

Розглянемо додатково фізичний аспект модуляція світла в ПЧМС на основі ПЗС-структури і можливості методу. Щоб визначити ефективність модуляції, потрібно розглянути розподіл електричного полючи в осередку ПЗС. При однорідному легуванні епітаксіального шаруючи напівпровідника n-типу товщиною L повне падіння потенціалу в «порожній» осередку, тобто під час відсутності зарядового пакета, дається вираженням

Vl=qNd/2kEo,

де ква — діелектрична константа. Прикладене електричне поле спадає лінійно з відстанню х усередину напівпровідника, причому глибина повного збідніння досягає підкладки (x=L) при

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

При меншому значенні прикладеного електричного полючи заповнення осередку зарядами складає деяку частку від максимально можливої величини nmax=Nt.

З ослабленням полючи всередину напівпровідника зв’язана зміна коефіцієнта поглинання й амплітудного пропущення осередку.

Параметрами типового ПЧМС на основі арсеніду галію є: Na = 1016 див-3; V=20 В; k=13,2; L=1,7 мкм; довжина осередку —70 мкм на λ=890 нм і 230 мкм на λ=905 нм, оскільки зі збільшенням λ електропоглинання зменшується.

Тому що діапазон довжин хвиль обмежений значенням 890…900нм, те найбільш прийнятними випромінювачами є імпульсні одномодові напівпровідникові лазери. Розрахунок показує, що при використанні матричного ПЧМС розміром 200X200 осередків у схемі спектрального аналізу формованих сигнальних масивів і при реєстрації результату фур’є-перетворення за допомогою фотоприйомної ПЗС-структури необхідний лазер з енергією 10-7 Дж в імпульсі тривалістю до 1 мс, тобто з піковою потужністю 0,1 мвт.

Порівняльні оцінки показують перспективність використання ПЧМС для обробки радіосигналів. Незважаючи на те, що частота введення сигналів тут трохи менше, ніж в акустооптичних модуляторів, напівпровідникові ПЧМС мають велику розмірність—200×200 елементів (може бути легко збільшена до 1000х1000), досить високий динамічний діапазон обробки сигналів – до 37…40 дб, дуже малі габаритні розміри і гарне стикування з фотоприйомними матрицями.

Оптично керовані модулятори світла.

Тут описаний просторово-часовий модулятор світла, робота якого ґрунтується на розширенні лінії екситонного поглинання в електричному полі. Такі лінії, що відповідають переходам з утворенням екситонів, мають багато напівпровідникових кристалів поблизу краю фундаментального поглинання при низьких температурах. Будучи надзвичайно вузькими, вони уширяються в електричному полі при напруженості полючи вище деякої критичний. Її величина залежить від параметрів екситонів, таких як ефективна маса, радіус першої борівскої орбіти, енергія зв’язку екситона і складає 105 … 106 В/ом. У цьому випадку інтенсивність світлового монохроматичних (лазерного) пучка, що проходить через напівпровідниковий кристал і ослабленого екситонним поглинанням, різко зростає в момент включення електричного імпульсу.

Розглянутий ПЧМС являв собою структуру МДП і складався з тонкого (до 0,3 мкм) епітаксіального шару селеніду кадмію, вирощеного на слюді, і напиляних по обидва боки прозорих електродів. При одночасній подачі на нього імпульсу напруги (поле до 105 В/їм) і світлового сигналу на довжині хвилі випромінювання гелій-неонового лазера 633 нм), що лежить в області фундаментального поглинання кристала, народжувані електронно-діркові пари розводилися полем і на границі роздягнула напівпровідника – діелектрик захоплювалися пастками, що володіють екситонними рівнями. Утворений потенційний рельєф приводив до залежного від просторової координати ущиренню лінії екситонного поглинання (відповідно розподілу інтенсивності в перетині збудливого пупка) і зберігався протягом доби після зняття електричного полючи.

Зчитування здійснювалося па довжині хвилі екситонного поглинання випромінюванням рубінового лазера на λ=690 нм. Амплітудний контраст був при цьому невеликий, близько 6:1. Однак довжина хвилі зчитування знаходиться в області аномальної дисперсії матеріалу, завдяки чому зміна показника переломлення, а отже і фазовий контраст, досягали великої величини – до 0,5. Чутливість ПЧМС (гранична) складала 10-7…10-8 Дж/див2; час включення відгуку близько 1 мкс. Стирання інформації здійснювалося електричним чи полем зовнішньої засвіткою структури, що вирівнюють потенціал на границі напівпровідник — діелектрик.

Серйозними недоліками структури є необхідність глибокого охолодження напівпровідника (близько 90 ДО) і зв’язаного з ним вакуумування, недостатньо високий оптичний контраст, вузький спектральний діапазон чутливості і труднощі підбора робочої пари — опалювача випромінювання і відповідної лінії екситонного поглинання. Помітимо, що останній недолік частково може бути ослаблений при використанні напівпровідникових інжекціонних лазерів і близьких до них по сполуці напівпровідникових пластин, наприклад на основі потрійної сполуки GaAIAs. Крім того, деякі напівпровідники, наприклад селенід галію, мають інтенсивні лінії екситонного поглинання при кімнатній температурі.

В оптично керованому ПЧМС на основі структури метал-діелектрик-напівпровідник легко забезпечити зміна електричного полючи в напівпровіднику під впливом зовнішнього випромінювання й у випадку використання ефекту Франца-Келдиша.

У роботі для цих цілей використовувалася несиметрична МДП-структура. На шар арсеніду галію товщиною 3 мкм, вирощений епитаксією на напівметалевій підкладці фосфіду галію, наносився діелектрик (нітрид кремнію) товщиною близько 100 нм. Поверх структури напилялись напівпрозорі золоті електроди. При додатку імпульсу електричної напруги амплітудою 50 В велика частина його падала в шарі арсеніду галію, створюючи збіднений носіями заряду шар. Випромінюванням гелій-неонового лазера на λ=633 нм можна було керувати концентрацією генерируемих неосновних носіїв у шарі напруги. При повній релаксації нерівновагого збідненого шару практично вся прикладена напруга падала на шарі діелектрика, так що рівень пропущення ПЧМС в освітлених ділянках структури характеризувався відсутністю в них електричного полючи.

Для зчитування вироблених полем (світлом) змін коефіцієнта поглинання Δа=105див-1 використовувався напівпровідниковий лазер з довжиною хвилі випромінювання 880 нм, що лежить на краю зони фундаментального поглинання напівпровідника. Чутливість до збудливого випромінюванню, обмірювана по максимальному контрасті (близько 20), склала 104 Дж-1див2 і в наступних роботах була поліпшена до 105 Дж-1див2, швидкодія визначалося часом релаксації області просторового заряду і бути не гірше 5-10-6 с. Ефективність модуляції світла, однак, не перевищувала 1 %.

Приведені результати не можна вважати задовільними. З набагато кращими характеристиками здійснюється модуляція світла на ефекті Франца-Келдиша в адресуємих електричним полем ПЗС-структурах. Вони можуть керуватися й оптично.

Оставьте комментарий к статье