Електрооптичний модулятор

1 Електрооптичний модулятор, що включає активний елемент, з'єднаний із джерелом напруги, що модулює, який відрізняється тим, що активний елемент виконаний у вигляді багатошарової структури метал-діелектрик-напівпровідникомічний контакт 2 Пристрій за п 1, який відрізняється тим, що додатково містить джерело постійної напруги зсуву, приєднаний до активного елемента Пристрій відноситься до оптичної обробки інформації і може бути використаний для керування когерентними потоками світла в оптоелектронних приладах, пристроях інтегральної оптики, пристроях далекого зв'язку Відомий електрооптичний модулятор світла, що містить розташовані на одній оптичній осі поляризатор і електрооптичний протропний кристал, на протилежні грані якого нанесені п пар електродів (п=1, 2, ), підключених до електричних контактів, при цьому сусідні електроди, розташовані на одній грані, підключені до контактів протилежної полярності (Заявка РФ №1552851) Недоліком такого пристрою є мала глибина модуляції, необхідність використовувати великі керуючі напруги і складність виготовлення модулятора Відомий модулятор, обраний як прототип, робота якого заснована на ЗМІНІ інтенсивності світла на виході хвилеводного каналу, утвореного в імплантованому шарі нюбата літію, при ЗМІНІ керуючої електричної напруги на електродах За рахунок вибору кристалів нюбата ЛІТІЮ З різними зрізами щодо оптичної осі автори пропонують одержувати ряд хвилеводних каналів з різною залежністю відносної яскравості на виході кожного хвилеводного каналу від напруги (Заявка РФ №2109313) Недоліком такого пристрою є його висока вартість, обумовлена як високою вартістю вихідного кристала нюбата літію, так і складністю технології створення імплантованих шарів Крім того, для роботи такого модулятора вимагаються великі керуючі напруги В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити електрооптичний модулятор світла шляхом збільшення глибини і частотної межі мо дуляції, підвищення його апертури і зменшення інерційності, розширення спектрального діапазону випромінювання, що модулюється, а також спростити керування і знизити вартість його виготовлення Поставлена задача вирішується тим, що в електрооптичному модуляторі, що включає активний елемент і джерело імпульсної електричної напруги, що модулює, електрично з'єднаний з активним елементом, ВІДПОВІДНО до винаходу, активний елемент виконаний у виді багатошарової структури метал-діелектрик-напівпровідникомічний контакт Пристрій додатково містить джерело постійної напруги зсуву Під дією джерела постійної напруги зсуву в шарі напівпровідника пщ діелектриком створюється хвилеводний канал, а модуляція світла, що проходить уздовж хвилеводного каналу, здійснюється за рахунок зміни показника переломлення хвилеводного каналу шляхом подачі на керуючий електрод електричної напруги, що модулює Такий пристрій має більшу глибину модуляції, відрізняється простотою керування і вимагає менших напруг, що модулюють На Фіг 1 представлена схема електрооптичного модулятора Активний елемент модулятора виконаний у виді багатошарової структури металдіелектрик-напівпровідник-омічний контакт 1 керуючий металевий електрод, 2 - шар діелектрика, 3 - напівпровідниковий кристал, 4 - омічний контакт Джерело напруги, що модулює, 5, з'єднаний з керуючим електродом 1, джерело світла б, пристрій, що реєструє 7, причому, джерело світла 6, активний елемент і пристрій, що реєструє, 7, СО 4431 розташовані на одній оптичній осі Пристрій додатково містить джерело постійної напруги зсуву 8 Матеріал напівпровідника має високе значення електрооптичного коефіцієнта і прозорий у робочій області спектра випромінювання, що модулюється Матеріал діелектрика вибирається з показником переломлення, близьким до показника переломлення напівпровідника Модулятор працює таким чином На торцеву грань активного елемента під шар діелектрика від джерела світла 8 направляють випромінювання, що модулюється Потім, на електрод 1 від джерела 5 імпульсної напруги, що модулює, щодо омічного контакту 4 подають імпульси, що модулюють позитивно» полярності для напівпровідникового шару 3 р-типа провідності, чи імпульси негативної полярності для напівпровідникового шару 3 n-типа провідності При цьому в момент ди імпульсу в шарі напівпровідника під діелектриком утвориться область 9 об'ємного заряду, збіднена основними носіями [С М Зи Фізика напівпровідникових приладів Пер з англ під ред А Ф Трутко М "Енергія", 1973, 656с] Діелектрична проникність і показник переломлення області об'ємного заряду внаслідок збідніння її основними носіями будуть вище значень, характерних для основного шару напівпровідника і шару діелектрика, тобто Піпз, де пі, Пг, п 3 - показники переломлення, ВІДПОВІДНО, діелектрика, області об'ємного заряду і напівпровідникового шару Таким чином, у цьому шарі в порівнянні з навколишніми шарами виникнуть умови для переважного поширення в ньому світла за рахунок ефекту повного внутрішнього відображення, іншими словами в момент подачі імпульсів джерела 5 буде утворюватися хвилеводний канал 9, по якому буде поширюватися випромінювання Модуляція світла може здійснюватися як за рахунок зміни амплітуди імпульсів, що модулюють, (амплітудна модуляція чи модуляція інтенсивності світла), так і за рахунок зміни ширини імпульсів (широтно-імпульсна модуляція) Збільшення амплітуди імпульсів буде приводити до збільшення ширини і показника переломлення хвилеводного каналу, а отже і збільшенню інтенсивності минаючого світла, тобто буде відбуватися модуляція світла по інтенсивності Умовою максимально можливої глибини модуляції такого пристрою є досягнення моменту насичення напруги модуляції - стан, при якому глибина модуляції перестає зростати з подальшим ростом амплітуди напруги модуляції Назвемо це значення напруги, що модулює, напругою насичення При широтноімпульсній модуляції збільшення ширини імпульсів буде приводити до того, що хвилеводний канал буде відкритий для проходження світла більш довгий час При цьому для досягнення найбільшої глибини модуляції амплітуда напруги, що модулює, повинна бути дорівнювати напрузі насичення Вихідне промодульоване світло реєструють за допомогою пристрою 7 У відсутності напруги, що модулює, хвилеводний канал у напівпровіднику виникати не буде і, відповідно, світло через модулятор проходити не буде Для підвищення глибини і частотної межі модуляції пристрій додатково містить джерело 8 постійної напруги зсуву, (див Фіг 2) У цьому випадку пристрій працює таким чином На торцеву грянь активного елемента під шар діелектрика від джерела світла 6 направляють випромінювання, що модулюється Потім, на електрод 1 від джерела 8 постійної напругу зсуву подають напруга зсуву, при цьому в шарі 3 напівпровідника утвориться область 9 об'ємного заряду, збіднена основними носіями і виконується умова піпз Причому для створення умов повного внутрішнього відображення напруга зсуву повинна бути позитивним у випадку напівпровідника р-типа, і негативним у випадку напівпровідника n-типу Світло, що ввійшло в модулятор, поширюється переважно хвилеводному каналі, що утворюється Модуляція випромінювання у хвилеводному каналі виробляється шляхом подачі імпульсів напруги, що модулює, на керуючий електрод 1 від джерела 5 напруги, що модулює При цьому полярність імпульсів, що модулюють, зворотна полярності напруги зсуву І в цьому випадку модуляція світла може здійснюватися як за рахунок зміни амплітуди імпульсів, що модулюють, (амплітудна модуляція чи модуляція інтенсивності світла), так і за рахунок зміни ширини імпульсів (широтно-імпульсна модуляція) Причому, збільшення амплітуди імпульсів, що модулюють, буде приводити до збільшення КІЛЬКОСТІ основних носив у шарі об'ємного заряду, тобто до зменшення глибини і показника переломлення хвилеводного каналу, а це, у свою чергу, буде приводити до зменшення інтенсивності світла на виході модулятора Зміна інтенсивності випромінювання, що проходить уздовж хвилеводного каналу, буде пропорційно величині напруги, що модулює Таким чином буде здійснюватися модуляція інтенсивності випромінювання Умовою 100%-ой модуляції світла є рівність амплітуди імпульсної напруги, що модулює, амплітуді напруги зсуву При широтно-імпульсній модуляції збільшення ширини імпульсів буде приводити до того, що хвилеводний канал буде закритий для проходження світла більш довгий час Умовою досягнення найбільшої глибини модуляції при широтноімпульсній модуляції є рівність амплітуди напруги, що модулює, напрузі зсуву Вихідне промодульоване світло реєструють за допомогою пристрою 7 Як приклад конкретного виконання електрооптичного модулятора використана багатошарова структура Au-AbCb-pGaP-Galn (pGa - фосфід галію р-типа) Товщина верхнього металевого електрода з Аи складає О.Змкм, товщина діелектричного шару АЬОз складає 0,3-0,5мкм, товщина напівпровідникового кристала pGa з концентрацією домішки ~10 1 6 см 3 складає 100мкм, товщина нижнього електрода з Gain, використовуваного як омічний контакт, складає одиниці мікронів Фосфід галію був обраний унаслідок того, що він має велике значення електрооптичного коефіцієнта, приблизно 1 1 0 1 0 При подачі на структуру напруги зсуву величиною до декількох десятків вольтів велика частина напруги буде падати на шарі напівпровідника унаслідок того, що його опір, обумовлений товщиною і рівнем домішки, буде велико У свою чергу, унаслідок збідніння шару напівпровідника під діелектриком основними носіями, напруженість електричного поля в ньому, тобто в області об'ємного заряду напівпровідника, 4431 може досягати величини 10 В/см Цього поля досить для проведення ефективної електрооптичної модуляції світла Крім того, Ga прозорий у червоній і інфрачервоній областях спектра Показник переломлення напівпровідникового шару pGa Пі=3,05, показник переломлення діелектричного шару АЬОз П2=3,00 Як джерело постійної електричної напруги зсуву використовувалося стабілізоване джерело напруги ВИП-010 Як джерело напруги, що модулює, використовувався генератор імпульсів Г5-89 Як джерело випромінювання використовувався гелій неоновий лазер ЛГН-207 з довжиною хвилі 0,6328мкм Як пристрій, що реєструє використовувався фотодюд ФД-7К, підключений до схеми звичайного імпульсного підсилювача, вихід якого підключався до осцилографу Для здійснення модуляції по інтенсивності на структуру подавали імпульсну напругу, що модулює, з частотою проходження імпульсів 1,5Мгц і зростаючою амплітудою Сигнал на виході пристрою, що реєструє, фіксувався при досягненні амплітуди імпульсів приблизно ЗВ Його величина зростала приблизно лінійно в залежності від росту напруги, що модулює, до 30В, після чого переставала змінюватися Глибина модуляції склала приблизно 90% Для широтно-імпульсної модуляції застосовували імпульси амплітудою 30В перемінної шпаруватості Глибина модуляції також була близька до 90% При подачі позитивного зсуву на електрод 1 від джерела постійної напруги 8 величиною кілька вольтів на виході пристрою, що реєструє, фіксувався постійний сигнал, величина якого зростала при подальшому збільшенні напруги зсуву Причому до досягненні напруги зсуву значення приблизно 30В сигнал на виході пристрою, що реєструє, залежав від напруги зсуву практично ЛІНІЙНО, ПОТІМ виходив на насичення Наявність постійного сигналу на виході пристрою, що реєструє, свідчило про утворення під діелектриком 2 у шарі напівпровідника 3 області 9 об'ємного заряду, збідненої основними носіями (дірками) і володіє унаслідок цього підвищеною діелектричною проникністю і підвищеним у порівнянні з основним обсягом напівпровідника показником переломлення пг, тобто про утворення хвилеводного каналу і переважне поширення світла в ньому Для здійснення модуляції світла по інтенсивності на структуру подавали постійну напругу зсуву величиною +25В, після чого подавали імпульсну напругу, що модулює зростаючої амплітуди, і частотою проходження імпульсів 1,5Мгц, При цьому на екрані осцилографа пристрою, що реєструє, спостерігався імпульсний сигнал частоти модуляції зростаючої амплітуди, що свідчило про модуляцію вхідного світлового сигналу Керуючи величинами напруги зсуву і напруги, що модулює, домагалися 100%-ой глибини модуляції світла по інтенсивності Для широтноімпульсної модуляції застосовували імпульси перемінної шпаруватості з амплітудою, рівної напрузі зсуву Максимальна глибина модуляції також була близька до 100% Перевагами пропонованого модулятора в порівнянні з відомими є висока глибина модуляції, мала інерційність, що дає можливість працювати на частотах аж до пгагерц, можливість здійснювати модуляцію випромінювання у видимій і інфрачервоній областях спектра, технологічність виготовлення модулятора й економічність Фіг. 1 4431 Фіг. 2 Комп'ютерна верстка А Крулевский Підписне Тираж 37 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 42, 01601