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.

Добавить комментарий

Your email address will not be published.

Previous Story

Критерії ефективності для моделей інформаційного пошуку

Next Story

Оптически управляемые модуляторы света

Latest from Оптикоэлектронная елементная база

Модуляторы света

Модуляторы света на основе электрооптической керамики Свойства электрооптической керамики состава ЦТСЛ Пространственно-временные