Електрооптичний перемикач-розгалужувач

Электрооптичний перемикач-розгалужувач, що включає розташовані на одній оптичній осі джерело світла, активний елемент, реєструючий пристрій, який відрізняється тим, що активний елемент виконаний у вигляді багатошарової структури метал-діелектрик-напівпровідник-омічний 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 й інших пристроїв керування світлом Відомий магнітооптичний перемикач світла [1Shirasaki M , Takagi M , Obokata T Bistable optical sw/tsh using a yttnum-iron gametcrystal with phase matching films // Appl Phys Lett 1982, Vol 38 P833-834 ], обраний як прототип, що містить джерело світла, поляризатор, монокристалічну плівку феріта граната (МПФГ) складу Gdo2Y28Fe5Oi2, двозаломлювачу призму, пристрій, що реєструє і електромагніт Принцип дії перемикача наступний ЛІНІЙНО поляризоване світло входить у торець МПФГ і поширюється уздовж вектора намагніченості плівки, при цьому площина поляризації світла може повертатися на кут +45° чи -45° у залежності від напрямку вектора намагніченості плівки, що у свою чергу задається напрямком магнітного поля, що прикладається до плівки У зв'язку з цим світло на виході може мати одну з двох ортогональних поляризацій, поділюваних далі в просторі двозаломлюючою призмою Воластона Для переключення світла між двома вихідними каналами напрямок магнітного поля, створюваного електромагнітом, змінюють на протилежне При діаметрі колімірованного пучка світла діаметром 150мкм пристрій забезпечує просторовий поділ контакт, причому верхній металевий електрод активного елемента виконаний у вигляді гребінки, у якої електрод-основа гребінки і електроди-зубчики гребінки мають між собою зазор розміром меншим від довжини хвилі світла, що переключається, а відстань між електродами-зубчиками більша від довжини хвилі світла, що переключається, реєструючий пристрій містить N фотоприймальних елементів на вході, електрод-основа гребінки з'єднана з джерелом постійної напруги, а електродизубчики гребінки підключені до джерела постійної напруги через електронний комутатор світла 250мкм і час переключення 250мкс Недоліками такого перемикача є висока вартість, обумовлена високою вартістю плівки феріта-граната, обмежене число каналів переключення і малий просторовий поділ пучків на виході, велике час переключення, можливість роботи тільки з ЛІНІЙНО поляризованим світлом В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити електрооптичний перемикачрозгалужувач світла, що містить активний елемент, шляхом виконання електрода активного елемента у вигляді гребінки, який має основу і N зубчиків, що дозволяє збільшити число каналів, які переключаються, просторове поділ пучків світла на його виході і частоту переключення, дає можливість працювати зі світлом будь-якого типу поляризації, дозволяє спростити керування перемикачем і, як наслідок, знизити вартість його виготовлення Поставлена задача вирішується тим, що в електрооптичному перемикачі-розгалужувачі світла, що включає розташовані на одній оптичній осі джерело світла, активний елемент, пристрій, що реєструє, ВІДПОВІДНО до винаходу, активний елемент виконаний у вигляді багатошарової структури метал-діелектрик-напівпровщник-омічний контакт, причому верхній металевий електрод активного елемента виконаний у вигляді гребінки, у якої електрод-основа гребінки і електроди-зубчики гребінки мають між собою зазор розміром меншим від «* 2 О) СО 5Г 6395 довжини хвилі світла, що переключається, а відстань між електродами-зубчиками більша від довжини хвилі світла, що переключається, пристрій, що реєструє містить N фотоприймалень елементів на вході, електрод-основа гребінки з'єднана з джерелом постійної напруги, а електроди-зубчики гребінки підключені до джерела постійної напруги через електронний комутатор, Такий пристрій дозволяє проводити розгалуження вхідного в нього пучка світла на N пучків і/чи робити переключення (перерозподіл) світла, має велике число каналів переключення, рівним числу електродів-зубчиків, великим просторовим поділом пучків світла на виході, достатнім для реєстрації їх дискретними фотоприймачами, великою частотою переключення світла, можливістю роботи зі світловими пучками будь-якого типу поляризації, відрізняється простотою керування і виготовлення (тобто економічністю). На Фіг. 1 представлена схема електрооптичного перемикача-розгалужувача (ЭПР). Активний елемент ЭПР виконаний у вигляді багатошарової структури метал-діелектрик-напівпровідникомічний контакт. 1 - керуючий металевий електрод; 2 - шар діелектрика; 3 - напівпровідниковий кристал; 4 -омічний контакт; 5 - джерело постійної напруги; 6 - джерело світла; 7 - N штук фотоприймачів; 8 - пристрій, що реєструє; 9 - електронний комутатор на N каналів. На Фіг.2 представлений активний елемент, вид зверху. Верхній металевий електрод 1 виконаний у вигляді гребінки, що має підставу 10 і відділені від нього зазором N зубчиків 11, причому зазор між електродом-підставою 10 і електродамизубчиками 11 менше довжини хвилі світла, що переключається. Відстань між електродамизубчиками 11 перевищує довжину хвилі світла, що переключається. Електрод-основа 10 гребінки прямо електрично з'єднаний із джерелом постійної напруги 5 щодо омічного контакту 4, а N електродів-зубчиків 11 гребінки - через електронний комутатор 9. На вхід ЭПР світло подається від джерела світла 6, на виході ЭПР світло, що виходить з кожного з хвилеводних каналів 12, що утворяться під кожним з N-електродов-зубчиків 11, реєструється за допомогою N-фотоприймачів 7 пристрою, що реєструє, 8. Для забезпечення великих швидкостей переключення світла в обраному спектральному діапазоні матеріал напівпровідникового кристала 3 активного елементу ЭПР повинний мати високе значення електрооптичне коефіцієнта, мати високу рухливість основних носіїв і бути прозорим у робочій області спектра. Для створення хвилеводного каналу 12 після подачі на активний елемент постійної напруги і для ефективного переключення світла концентрація легуючої домішки в напівпровіднику повинна знаходитися в межах 1016-1017см" 3 . Матеріал діелектричного шару 2 вибирається з показником переломлення, близьким до показника переломлення напівпровідникового кристала 3. Товщина шару діелектрика 2 повинна бути така, щоб спадання напруги на цьому шарі при подачі напруги на активний елемент не перевищувало напруги пробою діелектрика. Матеріал верхнього металевого електрода 1 повинен забезпечувати гарний електричний контакт із нижчележачим шаром 2 і не окислятися під впливом атмосфери. ЭПР працює таким чином. На торцеву грань активного елемента ЭПР із боку електродапідстави 10 гребінки під шар діелектрика 2 від джерела світла 6 направляють випромінювання. Потім, на електрод-підставу 10 прямо, а на електроди-зубчики 11 через електронний комутатор 9 подають постійну напругу від джерела напруги 5. При цьому в шарі 3 напівпровідника під металевим електродом-підставою 10 і електродамизубчиками 11, підключеними в даний момент до джерела напруги через комутатор 9, утворяться області 12 об'ємного заряду (ООЗ) [3 - С М . Зи. Фізика напівпровідникових приладів. Пер. с англ. під ред. А.Ф. Трутко. М. «Енергія», 1973, 656с]. Полярність напруги, що прикладається, повинна бути такою, щоб виникаюча ООЗ збіднювалася основними носіями, тобто у випадку напівпровідника р-типа напруга повинна бути позитивним, а у випадку напівпровідника п-типу - негативним. Значення діелектричної проникності і показника переломлення ООЗ унаслідок збідніння її основними носіями будуть вище значень, характерних для основного шару напівпровідника і шару діелектрика, тобто Піп3, де Пі, п 2 , пз - показники переломлення, відповідно, діелектрика, ООЗ і напівпровідникового шару. Таким чином, в ООЗ у порівнянні з навколишніми шарами виникнуть умови для переважного поширення в ній світла за рахунок ефекту повного внутрішнього відображення. Іншими словами, після подачі на ЭПР напруги під електродом-підставою і підключеними через комутатор до джерела напруги електродамизубчиками будуть утворюватися хвилеводні канапи, по яких від каналу під електродом-підставою в канали під електродами-зубчиками буде поширюватися світло. У залежності від числа підключених електродів-зубчиків 11 буде реалізовуватися розгалуження світла на число каналів від 1 до N, де N - число електродів-зубчиків 11. У залежності від того, які з електродів-зубчиків 11 (один чи декілька) у даний момент часу будуть підключені комутатором 9 до джерела напруги 5, буде здійснюватися кероване підключення потрібного світлового каналу, тобто переключення світла. Кожний з вихідних з ЭПР світлових потоків буде реєструватися своїм фотоприймачем 7, виходи яких підключені до відповідного входу пристрою, що реєструє, 8. Малий зазор між електродом-підставою 10 і електродами-зубчиками 11 буде дозволяти світлу проходити безперешкодно з хвилеводного каналу 12 під електродом-підставою 10 у хвилеводний канал 12 під електродами-зубчиками 11. Велика відстань між електродами-зубчиками 11 не дозволить перетнутися ООЗ, що виникають під сусідніми електродами, і відгалузитися світла в сусідні канали. Як приклад конкретного виконання ЭПР використана багатошарова структура Аи-АІ2Оз-пйаРGaln. (nGa - фосфід галію n-типу). Товщина верхнього металевого електрода з Аи складає О.Змкм, товщина діелектричного шару АІ2Оз складає 0,30,5мкм, товщина напівпровідникового кристала nGa з концентрацією домішки ~5-1016см"3 складає 150мкм, товщина нижнього електрода з Gain, використовуваного як омічний контакт, складає кіль 6395 ка десятків мікронів, зазор між електродомпідставою гребінки і електродами-зубчиками складає 0,2мкм. Верхній металевий електрод виготовляли у вигляді гребінки з чотирма зубчиками, відстань між який складало 1мм. Фосфід галію був обраний унаслідок того, що він має велике значення електрооптичного коефіцієнта, (~10"10см/В) і високу рухливість основних носіїв: при 300°К рухливість електронів u n =8500см 2 /(В с) [4] [П.И. Баранский, В.П. Клаптиків, И.В. Потикевич. Напівпровідникова електроніка. Довідник Видавництво «Наукова думка», Київ, 1975, 705с], що дозволяє використовувати його при роботі на високих частотах і забезпечує малу інерційність при переключенні світла. Крім того, Ga прозорий у червоній і інфрачервоній областях спектра. Показник переломлення напівпровідникового шару nGa з концентрацією домішки ~5-1016см"3 складає пі=3,2; показник переломлення діелектричного шару АІ2О3 п2=3,0. Як джерело випромінювання використовувався гелій-неоновий лазер ЛҐН-207 з довжиною хвилі 0,6328мкм. Уведення випромінювання в активний елемент ЭПР і висновок випромінювання здійснювався за допомогою волоконних світловодів. Як пристрій, що реєструє, використовувався багатоканальний підсилювач, до входу кожного з каналів якого підключався вихід відповідного фотоприймача, а вихід кожного каналу підсилювача міг підключатися до осцилографа. Як фотоприймачі пристрою, що реєструє, використовувалися фотодіоди ФД-256. Як джерело постійної електричної напруги використовувалося стабілізоване джерело напруги ВИП-010. Для комутації напруги, що подається на електроди-зубчики 11, був застосований пристрій комутації, функціональна схема якого представлена на Фіг.З. Тут: 13 - генератор імпульсів; 14 - лічильник імпульсів; 15 - мультиплексор; 16 - аналоговий комутатор, 5 - джерело напруги, що комутується. Пристрій працює таким чином. Генератор імпульсів 13, зібраний на базі мікросхеми ДО561ЛА7 за стандартною схемою, формує імпульси позитивної полярності, що подаються на лічильник імпу льсів 14 (мікросхема ДО561ИЕ16). Керований лічильником 14 через дворозрядну адресну шину мультиплексор 15 (мікросхема ДО561КП2) послідовно подає через чотирирозрядну вихідну шину на входи аналогового комутатора 16 (мікросхема ДО1109КН2) імпульси, що керують відповідними виходами комутатора 9. На вхід живлення комутатора 9 подається напруга, що комутується, від джерела напруги 5. Виходи комутатора 9 підключені до відповідних електродів-зубчиків 11. Таким чином, при роботі схеми, поперемінно на кожний з виходів аналогового комутатора, (а значить і на відповідний електрод-зубчик 11), подається напруга від джерела 5. Для перевірки працездатності ЭПР на електрод-підставу від джерела стабілізованої напруги ВИП-010 плавно подавали постійну негативну напругу величиною від 0 до 45В, а через волоконний світловод подавали світло від гелій-неонового лазера. При цьому на виході пристрою, що реєструє, сигнал був дорівнювати нулю. Потім уключали схему електронного комутатора і знову повторювали плавну подачу напруги. При досягненні напруги величини приблизно 36 В на виході пристрою, що реєструє, поперемінно, з частотою, рівній частоті генератора імпульсів, спостерігалися сигнали з фотоприймачів кожного з чотирьох каналів. Величини сигналів зростали до досягнення напруги величини приблизно 45В, після чого переставали змінюватися, що свідчило про виникнення, ріст і насичення 0 0 3 . Таким чином була перевірена працездатність пристрою, що заявляється. Перевагами пропонованого електрооптичного перемикача-розгалужувача в порівнянні з відомими є: більше число каналів переключення, рівне числу електродів-зубчиків; великий просторовий поділ пучків світла на виході, достатнє для реєстрації їх дискретними фотоприймачами; великі швидкості переключення світла; простота керування і виготовлення (тобто економічність). 6395 п Т '*' '*' 10 Фіг 2 Фіг 1 2 13 / 14 / 4 15 fc * • / ь. / * На 16 І і електроди-зубчики 6 Фіг З Комп'ютерна верстка В Мацело Підписне Тираж 28 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 - 4 2 , 01601