Оптичний модулятор

Оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникового кристала, що містить р-nперехід, а також омічний контакт, який відрізняє ться тим, що на напівпровідниковому кристалі поблизу р-n-переходу розміщено додатковий омічний контакт, який електрично сполучено з р-n-преходом, що здатний забезпечити порогове змінення оптичної прозорості напівпровідникового кристала. (19) (21) u200709228 (22) 13.08.2007 (24) 10.12.2007 (72) КУРМАШЕВ ШАМІЛЬ ДЖАМАШЕВИЧ, U A, ВІКУЛІН ІВАН МИ ХАЙЛОВИЧ, UA, МІРОНЧЕНКО ТЕТЯНА ІВАНІВНА, U A (73) ОДЕСЬКИЙ НАЦІОН АЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. І.І. МЕЧНИКОВА, U A (56) 3 28502 цьому зміненню. При цьому монотонно змінюється і коефіцієнт поглинання ІЧ світла. Разом з тим, розвиток техніки оптичного зв'язку потребує використання оптично бістабільних елементів-модуляторів, які дозволяють здійснювати цифрове кодування сигналів. Аналогічні проблеми стоять перед розробниками оптичних комп’ютерів, оптичних дальномірів. В оптичних розвертаючих (скануючих) пристроях модулятори повинні працювати в режимі "оптичних затворів" [Модуляция и отклонение оптического излучения. Авт. Г.И. Катыс, Н.В. Кравцов, Л.Е. Чирков, СМ. Коновалов -М.: изд. На ука, 1967 [3]]. В основу корисної моделі поставлено задачу створити оптичний модулятор з технічним ефектом: отримання порогового (стрибкоподібного) переключення модулятора із стану оптичної прозорості напівпровідникового кристалу для ІЧ світла в стан не прозорості і навпаки. Технічним рішенням цієї задачі є те, що оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникового кристалу, що містить р-nперехід, а також омічний контакт, на напівпровідниковому кристалі поблизу р-nпереходу містить додатковий омічний контакт, який електрично сполучено р-n-переходом. Це спроможне забезпечити порогове змінення оптичної прозорості напівпровідникового кристалу. На Фіг.1 показано схематичну конструкцію оптичного модулятора. На Фіг.2 приведено вольт-амперну характеристику (ВАХ) оптичного модулятора. Оптичний модулятор складається з напівпровідникового кристалу (база) n-типу провідності 1 з емітерним р-n-переходом 2 і омічним контактом (n1+) 3. Поруч р-n-переходом 2 розташовано додатковий омічний контакт n+-типу 4. Р0 - густина потоку падаючого світлового променю, Р -густина потоку променю, який пройшов крізь базу модулятора. Омічний контакт 4 електрично шунтує р-n-перехід 2. Оптичний модулятор працює слідуючим чином. При малих струмах опір n+-n- контакту набагато менший, ніж опір р-n-переходу, весь струм протікає через n+-n- n1+-структур у (Фіг.2, гр.1). В разі високоомної бази концентрація рівноважних носіїв в ній мала і ІЧ світло проходе крізь базу, практично не поглинаючись. Із зростанням струму опір р-n-переходу зменшується. Це призводить до зростання інжекції неосновних носіїв заряду з р-n-переходу в базу і, отже, до зростання загального струму. Відбувається перерозподіл струму проміж n+-nконтактом і р-n-переходом на користь зростання долі загального струму через р-n-перехід. Концентрація носіїв заряду в базі зростає за рахунок інжекції носіїв заряду. Опір бази зменшується, стр ум через р-n-перехід ще більше підвищується і т. і. Такий позитивний зв'язок по струму призводить до надлінійного зростання провідності бази із ростом струму і утворенню на ВАХ ділянки з негативним диференційним опором - переходу від гр.1 до гр.2 на Фіг.2. Такі структури називають S-діодами [И.М.Викулин, В.И. Стафеев. 4 Физика полупроводниковых приборов.-1990.Москва: Радио и связь. - С. 141 [4]]. При досягненні напруги включення Vвкл робоча точка на ВАХ переходе із стану "а" в стан "б", струм в колі діоду різко зростає. Після переключення база діоду виявляється "залитою" носіями заряду і стає практично непрозорою для ІЧ світла, тобто відбулося порогове переключення коефіцієнту поглинання світла. Зменшення напруги до деякої остаточної величини V0CT призводе до перекинення робочої точки із стану "в" в стан "г". Струм, який протікає крізь модулятор стрибкоподібно зменшується. Концентрація вільних носіїв заряду в базі падає. Пристрій стає оптично прозорим для ІЧ світла. Таким чином, оптичний модулятор, що описується, спроможний стрибкоподібно змінювати проходження світла, тобто пристрій є оптично бістабільним оптичним модулятором (точки "б" і "г" на Фіг.2). Експериментальна перевірка оптичного модулятора здійснювалася в науково-дослідній лабораторії сенсорної електроніки Одеського національного університету ім. 1.1. Мечникова і підтврдила досягнення очікуваних результатів. Джерелом ІЧ випромінення служив лазер ЛГ-47 ( l = 10.6мкм). В окремих випадках використовували спектрометр ІКС-21 з глобаром і призмою з NaCl, а також модель абсолютно чорного тіла з температурою порожнини 500К. Рівень потужності падаючого на модулятор 14 світла регулювали за допомогою градуірованих фільтрів з CaF2, а також за допомогою неселективних ослаблювачів (металеві сітки, кремнієві платівки). Потужність проміню від ІЧ джерела не перевищувала 200мВт/см 2. В якості фотоприймачів на виході оптичного модулятора служили термостовпчик, який було отградуіровано по випроміненню абсолютно чорного тіла (температура порожнини 500К) чи фоторезистор на основі твердого розчину CdHgTe. Вимірювання ВАХ на постійному струмі провадили точковим методом вольтметруамперметру чи за допомогою двохкоординатного самописця ПДС-021М. Оптичний модулятор вмикали також в схему релаксаційного генератора [4]. Частотні характеристики вивчали за допомогою селективних вольтметрів С5-5 та SMV6 (в залежності від частоти), а також за допомогою осцилографу СІ-195, по якому контролювали форму сигналу та рівень шумів. Для дослідної перевірки було виготовлено 2 оптичних модулятора) на базі германію n-типу провідності з питомим опором 40 Ом см (один прототип, другий - пристрій, що описується). Обидва у вигляді куба з розмірами 3x3x3мм. Для зразка-прототипу на одній грані кристалу вплавленням індію створювали р-n-перехід, на протилежній грані вплавленням олова створювали омічний контакт. Вимірювання показали, що при плавному (поступовому) збільшенні прямого зміщення спостерігалося монотонне зменшення перепускання ІЧ світла через модулятор-прототип. В оптичному модуляторі, що описується, поблизу з інжектуючим р-n-переходом розташовано додатковий омічний контакт, електрично сполучений з р-n-переходом. 5 28502 Потужність Р0 світла, що падало на поверхню оптичного модулятора, з урахуванням відбиття дорівнювала в даному випадку 5.6мВт. При дослідженні оптичного модулятора, із збільшенням напруги зміщення, що подається на модулятор, при досягненні напруги включення Vвкл (Фіг.2), поряд із стрибкоподібним зростанням струму відбувалося порогове (стрибкоподібне) зменшення потужності ІЧ світла, яке перепускалося базою, з 3.3мВт до 0.4мВт, тобто потужність світла зменшилася майже в 8 разів. При зменшені напруги зміщення, при напрузі виключення Vост (Фіг.2) спостерігалося стрибкоподібне збільшення перепускання світла крізь базу з 0,4мВт до 5,4мВт, тобто майже в 13 разів. Таким чином, коефіцієнт перепускання світла для даного модулятора має два усталених стану. Кое фіцієнт змінення інтенсивності 14 світла при пороговому переключенні складав К = (Р0 Р)/Р0 = 0.7...0.8. Використання оптичного модулятора провадили включенням його в схему релаксаційного генератора [4]. Одержано імпульсну модуляцію 14 світла з частотою, яка залежить від параметрів елементів, із яких складено генератор (ємність, опір навантаження тощо). Стала часу переключення складає 10-8...109 с Промислове застосування та користь напівпровідникового порогового бістабільного оптичного модулятора полягає в тому, що вартість його виготовлення набагато менше вартості оптичних бістабільних елементів інших типів аналогічного призначення, наприклад, елементів на основі резонаторів Фабри-Перо, які складаються з двох напівпрозорих дзеркал, проміж якими розташовано матеріал, який змінює показник заломлення в залежності від сили світла [С.Гонда, Д.Сэко. Оптоэлектроника в вопросах и ответах. Пер. с японского. - 1983.- Ленинград: Энергоатомиздат.- С. 121 [5]]. Модулятор, що описується, визначається малою споживчою потужністю. Технологія виготовлення напівпровідникового порогового оптичного модулятора аналогічна технології виготовлення звичайних напівпровідникових пристроїв і може бути реалізована на будь-якому підприємстві електронної техніки. Оптичний модулятор, що описано, передається науково-виробничому підприємству "Темп" (м.Одеса) в якості дослідного зразка для серійного виготовлення. 6