CN101526646A - 光载流子延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光载流子延迟线，包括激发激光器1、第一透镜2、半导体材料3、检测激光器4、第二透镜5和光电探测器6，射频电信号S(t)调制激发激光器1，经调制的激发光经过第一透镜2聚焦后照射在半导体材料3上，在半导体材料3内产生浓度随调制激发光变化的非平衡载流子，并向四周扩散，载流子浓度的变化就会引起材料折射率的变化，检测激光器4发出检测光经第二透镜5聚焦后，以入射角β照射在半导体材料3内的载流子扩散范围内的某一处，则检测光经过半导体材料3的出射光载有延迟了的激发光信号的信息，将其通过光电检测器6变换为射频电信号V(t)，信号V(t)就是延时了的射频电信号S(t)。

Description

光载流子延迟线

技术领域

本发明涉及延迟线技术领域，具体涉及一种光载流子延迟线。

背景技术

延迟线是用于将信号延迟一段时间的元件或器件。延迟线应在通带内有平坦的幅频特性和一定的相移特性(或延时频率特性)。延迟线广泛使用在雷达、电子计算机、彩色电视系统、通信系统，以及测量仪器(如示波器)中。

延迟线可以分为三种：一是电信号延迟线，如电荷耦合器件(CCD)和电缆等；二是超声波延迟线，如水银延迟线、石英延迟线等；三是光信号延迟线，如光延迟线、光数字同步延迟线存储器等。它们延时由几毫微秒到几十微秒，几微秒到几千微秒，各有所长，互为补充。其中，光延迟线广泛用于相控阵雷达技术、电子对抗、全光信号处理以及全光通信等诸多领域。相对于常规的电延迟器件，光延迟线具有延迟时间长、时间带宽积大、工作频率高、损耗小、尺寸小、质量轻、不存在电磁干扰等优点。

由于不同应用场合可能需要不同的延迟时间，因此要求延迟器件能够实现延迟时间可调。目前常用的可变光延迟线是增量可调而非连续可调，它们由多条光纤或者光波导组成，每条光路长度不同，通过级联光开关的选路使光信号通过不同长度的光纤或波导，从而获得不同的延迟时间。由于路径长度是增量变化的，因此延迟时间也只能是增量而非连续变化，精度在几十皮秒到几百皮秒量级，这样大大限制了光延迟线的应用范围。

如何实现一种既有较大动态范围，又可连续可变的光延迟，成为目前的研究热点。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种光载流子延迟线，它能克服现有技术的缺陷，可实现连续可变的光延迟，通过更换光生载流子扩散系数不同的半导体材料，还可实现延时范围不同的光延时。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种光载流子延迟线，器件包括激发激光器1，(光子能量大于半导体材料的禁带宽度)、第一透镜2、半导体材料3、检测激光器4(光子能量小于半导体材料的禁带宽度)、第二透镜5和光电探测器6，其特征在于，射频电信号S(t)调制激发激光器1，经调制的激发光经过第一透镜2聚焦后照射在半导体材料3上，并在半导体材料3内产生浓度随调制激发光变化的非平衡载流子，并向四周扩散，载流子浓度的变化就会引起材料折射率的变化，检测激光器4发出检测光经第二透镜5聚焦后，以入射角β(β在0和全反射角之间)照射在半导体材料3内的载流子扩散范围内的某一处，由于材料在此处的折射率随经调制的激发光信号而发生变化，光透过率也相应的发生变化，此处折射率的变化是延迟了的调制激发光信号的反映，则检测光经过半导体材料3的出射光载有延迟了的激发光信号的信息，将其通过光电检测器6变换为射频电信号V(t)，信号V(t)就是延时了的射频电信号S(t)。

按照本发明所提供的光载流子延迟线，其特征在于，在载流子扩散范围内连续改变检测光的入射点来实现延时时间的连续变化，通过更换光生载流子扩散系数不同的半导体材料3实现延时范围不同的光延时。

按照本发明所提供的光载流子延迟线，其特征在于，激发激光器1的激发光的光子能量大于所述半导体材料的禁带宽度，检测激光器4的检测光的光子能量小于半导体材料的禁带宽度。

本发明运用光生载流子引起半导体材料的折射率变化和光生载流子的扩散运动，形成了光载流子延迟线，尺寸小、质量轻、结构简单，效率高，且能实现连续可变的光延迟。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中，1、激发激光器，2、第一透镜，3、半导体材料，4、检测激光器，5、第二透镜，6、光电探测器，7、光声载流子，8、光声载流子扩散。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

本发明的基本原理如下：一束激发光(光子能量大于半导体材料的禁带宽度)入射到半导体材料表面，材料吸收光能而激发出非平衡载流子(电子空穴对)，由于这种光注入引起了材料中非平衡载流子浓度的变化，载流子浓度的变化就会引起材料折射率的变化。如果激发光光强受一射频电信号调制，则调制激发光信号会转换为半导体材料折射率变化的信号，这种折射率变化信号载有调制激发光信号的信息。光注入引起的非平衡载流子在寿命时间内自浓度高向浓度低方向扩散，在载流子的扩散范围内的某一处(经过一段扩散时间)用一束检测光(光子能量小于半导体材料的禁带宽度)，以一定的入射角(0和全反射角之间)照射半导体材料，由于材料在此处的折射率随调制激发光信号而发生变化，光透过率也相应的发生变化，则检测光的出射光折射角和光强也发生变化，检测光的出射光折射角和光强变化反映调制激发光的变化，通过放在样品后某一处的光电检测器将检测光的出射光信号变换为射频电信号，输出的射频电信号的频谱和输入的射频电信号的频谱完全相同，只是延迟了一段时间。在载流子扩散范围内，检测光入射位置不同，则载流子从激发光入射处扩散到检测光入射处的扩散时间不同，即延迟时间不同，这样检测光的出射光就代表延时不同的激发光信号，通过光电检测器输出的射频电信号就代表延时不同的原调制射频电信号，通过连续改变检测光入射位置，就可实现连续可变的延迟。

半导体材料内光生载流子浓度与激发光光强成正比，所以载流子的浓度变化就反映了激发光光强的变化；折射率随载流子浓度发生变化主要是由能带填充效应(Burstein-Moss效应)、带隙缩小效应和自由载流子吸收效应引起，半导体材料折射率的变化与载流子浓度变化成线性关系，注入载流子后，折射率减小，且载流子浓度越大，折射率越小。因此，折射率变化信号就载有调制激发光信号的信息。由能带填充效应和带隙缩小效应引起的折射率的变化可用此公式表示：

两种效应中Δα不同，其中N为注入电子数，P为注入空穴数，Δα为吸收系数的变化值，E为入射光子能量，c为光速，e为电子电量，h是Planck常数，P∫代表主值积分；由自由载流子吸收效应引起的折射率的变化可用此公式表示：

$\mathrm{\Δn}=-\frac{e^2{\mathrm{\λ}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{c}^2{\mathrm{\ϵ}}_{0}n}(\frac{N}{m_e}+\frac{P}{m_h}),$

其中n为材料的折射率，λ为光波波长；三种效应的叠加就揭示了半导体内注入水平及光子能量与折射率变化的关系：半导体材料折射率的变化与载流子浓度变化成线性关系。

检测光通过折射率变化区域，则检测光的出射光光强就载有折射率变化信号，这样检测光的出射光光强信号就载有调制激发光信号。

光注入引起的非平衡载流子在寿命时间内自浓度高(激发光入射中心点)向浓度低方向扩散，对于厚半导体材料，载流子浓度随离激发光入射点的距离变化大致为指数式递减；对于薄样品，载流子浓度随离激发光入射点的距离变化大致呈线性递减。在扩散范围内的不同点扩散所用时间不同，这样就使得信号延时时间不同。

如图1所示，射频电信号S(t)调制激发激光器1，受调制的激发光经第一透镜2聚焦后照射在半导体材料3上，在半导体材料3内产生浓度随调制激发光变化的非平衡光生载流子7，载流子向四周扩散，载流子浓度的变化就会引起材料折射率的变化，检测激光器4发出检测光经第二透镜5聚焦后，以一定的入射角β(0和全反射角之间)照射在光生载流子扩散8范围内，由于材料在此处的折射率随调制激发光信号而发生变化，光透过率也相应的发生变化，此处折射率的变化是延迟了的调制激发光信号的反映，则检测光的出射光载有延迟了的激发光信号的信息，通过光电检测器6将检测光的出射光信号变换为射频电信号V(t)，信号V(t)就是延时了的信号S(t)，在载流子扩散范围内连续改变检测光的入射点，则可实现延迟时间连续变化。

Claims (3)

1、一种光载流子延迟线，包括激发激光器(1)、第一透镜(2)、半导体材料(3)、检测激光器(4)、第二透镜(5)和光电探测器(6)，其特征在于，射频电信号S(t)调制激发激光器(1)，经调制的激发光经过第一透镜(2)聚焦后照射在半导体材料(3)上，在半导体材料(3)内产生浓度随调制激发光变化的非平衡载流子，并向四周扩散，载流子浓度的变化就会引起材料折射率的变化，检测激光器(4)发出检测光经第二透镜(5)聚焦后，以入射角β照射在半导体材料(3)内的载流子扩散范围内的某一处，β在0和全反射角之间，半导体材料(3)在此处的折射率随经调制的激发光信号而发生变化，光透过率也相应的发生变化，此处折射率的变化是延迟了的调制激发光信号的反映，则检测光经过半导体材料(3)的出射光载有延迟了的激发光信号的信息，将其通过光电检测器(6)变换为射频电信号V(t)，信号V(t)就是延时了的射频电信号S(t)。

2、根据权利要求1所述的光载流子延迟线，其特征在于，在载流子扩散范围内连续改变检测光的入射点来实现延时时间的连续变化，通过更换光生载流子扩散系数不同的半导体材料(3)实现延时范围不同的光延时。

3、根据权利要求1所述的光载流子延迟线，其特征在于，激发激光器(1)的激发光的光子能量大于所述半导体材料的禁带宽度，检测激光器(4)的检测光的光子能量小于半导体材料的禁带宽度。

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