RU2062495C1

RU2062495C1 - Method and device for modulation of electromagnetic radiation

Info

Publication number: RU2062495C1
Authority: RU
Inventors: Игорь Иосифович Буршта; Евгений Федорович Венгер; Анатолий Иванович Липтуга; Александр Владимирович Мельничук; Юрий Архипович Пасечник
Original assignee: Институт физики полупроводников АН Украины
Priority date: 1991-08-13
Filing date: 1991-08-13
Publication date: 1996-06-20

Abstract

FIELD: optical data processing systems. SUBSTANCE: surface of semiconductor plate is modulated by magnetic radiation. Surface polaritones are excited by this radiation at surface of the plate. After that concentration of free charge carriers is changed at area of the plate being close to its surface, and electromagnetic radiation is subject to modulation. Device has semiconductor plate with intrinsic conductivity. Surfaces of the plate have different rates of surface recombination. Thickness of the plate may be compared with diffusion length of charge carriers, when plate is placed into crossing electric and magnetic fields. Disturbed total internal reflection prism is located in front of surface of the plate with lower recombination rate. Prism is disposed at distance being no shorter than

Description

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к модуляторам электромагнитного излучения и может быть использовано в системах оптической обработки информации, а также при оптической связи. The present invention relates to the field of quantum electronics, namely to modulators of electromagnetic radiation and can be used in optical information processing systems, as well as in optical communication.

Известен способ модуляции лазерного излучения ИК-диапазона, основанный на изменении отражательной способности полупроводниковой пластины путем изменения величины эффективной массы свободных носителей в области плазменного резонанса, реализованный в устройстве, содержащем пластину сильнолегированного полупроводника n- -типа, зона которого непараболична, с электронным типом проводимости и концентрацией носителей 5•10¹⁷ см^-3 [1] Путем подбора материала с нужной концентрацией носителей заряда добиваются того, что в исходном состоянии при отсутствии электрического поля отражательная способность полупроводниковой пластины на данной длине волны была максимальной. Приложение поля к пластине, увеличивая эффективную массу, уменьшает ее отражательную способность на этой длине волны, осуществляя тем самым амплитудную модуляцию падающего на полупроводниковую пластину ИК-излучения.A known method of modulating infrared laser radiation based on a change in the reflectivity of a semiconductor wafer by changing the effective mass of free carriers in the region of plasma resonance, implemented in a device containing a plate of a heavily doped n-type semiconductor, the zone of which is nonparabolic, with an electronic type of conductivity and carrier concentration is 5 • 10 ¹⁷ cm ^-3 [1] By selecting a material with the desired concentration of the charge carriers is achieved that in the initial state etc. the absence of an electric field reflectivity of the wafer at a given wavelength was maximized. The application of the field to the wafer, increasing the effective mass, reduces its reflectivity at this wavelength, thereby performing amplitude modulation of the infrared radiation incident on the semiconductor wafer.

Большая управляющая мощность, связанная с необходимостью изменять эффективную массу носителей заряда, основной недостаток этого способа и устройства, его реализующего. The large control power associated with the need to change the effective mass of charge carriers, the main disadvantage of this method and device that implements it.

Необходимость использования сильнолегированных, а следовательно, низкоомных, порядка нескольких Ом, полупроводниковых материалов предусматривает применение мощных генераторов тока с низким внутренним сопротивлением, также порядка нескольких Ом. Отсутствие промышленных генераторов такого типа существенно ограничивает возможности практического использования указанного устройства. The need to use heavily doped, and therefore low resistance, of the order of several ohms, semiconductor materials involves the use of powerful current generators with low internal resistance, also of the order of several ohms. The absence of industrial generators of this type significantly limits the possibility of practical use of this device.

Известен другой способ модуляции длинноволнового ИК-излучения, основанный на изменении пропускательной способности полупроводниковой пластины за счет поглощения модулируемого излучения свободными носителями заряда, концентрация которых изменяется [2] Устройство, в котором реализован этот способ, содержит полупроводниковую пластинку из германия, которая снабжена контактами в торцевой части, посредством которых она соединена с управляющим источником электрического поля E и помещена в магнитное поле H. Величины E и Н полей изменяют от нуля до некоторой величины. Две широкие противоположные грани пластины выполнены так, что на одной из них скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда мала, а на другой велика. Пластину помещают в магнитное поле таким образом, что его силовые линии параллельны широким граням. Прикладываемое к пластине электрическое поле перпендикулярно магнитному полю. Модулируемое излучение, падающее на одну из широких граней пластины, перпендикулярно плоскости, в которой лежат E и Н поля. There is another method for modulating long-wave infrared radiation, based on a change in the transmittance of the semiconductor wafer due to absorption of modulated radiation by free charge carriers, the concentration of which varies [2] The device in which this method is implemented contains a semiconductor wafer made of germanium, which is equipped with contacts in the end the parts by which it is connected to the control source of the electric field E and placed in the magnetic field H. The values of E and H fields vary from n la to a certain value. Two wide opposite faces of the plate are made so that on one of them the surface recombination rate of charge carriers is small, and on the other it is large. The plate is placed in a magnetic field so that its lines of force are parallel to wide faces. The electric field applied to the plate is perpendicular to the magnetic field. Modulated radiation incident on one of the wide faces of the plate, perpendicular to the plane in which the E and H fields lie.

Излучение, проходящее через полупроводник, поглощается в нем, причем коэффициент поглощения прямо пропорционален концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике. Изменяя концентрацию носителей с помощью электрического поля, модулируют излучение на длине волны 337 мкм, достигая коэффициента модуляции 40
Недостатками этого способа и устройства являются низкий коэффициент модуляции для длин волн средней ИК-области, т.к. коэффициент поглощения света свободными носителями пропорционален квадрату длины волны модулируемого излучения, по этой же причине узкий частотный диапазон модулируемого излучения, а также то, что из-за того, что модулятор работает на просвет, происходят большие потери интенсивности модулируемого излучения за счет отражения на гранях полупроводниковой пластинки, достигающие величины 60
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ модуляции электромагнитного излучения, включающий облучение полупроводниковой пластины модулируемым излучением и изменение отражательной способности пластины в области плазменного резонанса путем изменения концентрации свободных носителей. Этот способ реализован в устройстве [3] в котором изменение отражательной способности полупроводниковой пластины, а тем самым и модуляция ИК-излучения происходит за счет того, что пластину, изготовленную из полупроводника с собственной проводимостью, с толщиной, сравнимой с диффузионной длиной носителей заряда, и снабженную в торцевой части контактами, посредством которых она соединена с управляющим источником электрического напряжения, располагают в скрещенных электрическом и магнитном полях. При этом широкие грани пластины должны иметь различные скорости поверхностной рекомбинации: большую и малую, и на поверхность с меньшей скоростью поверхностной рекомбинации нанесен слой из идентичного полупроводника, обладающего примесной проводимостью, толщина которого l должна удовлетворять условию L_э ≅ l ≅ λ/4πn, где L_э радиус экранирования или дебаевский радиус материала слоя, λ длина волны модулируемого излучения, n показатель преломления слоя. Источник модулируемого и приемник модулированного излучения располагают со стороны этой поверхности. Путем выбора величины и направления электрического и магнитного полей, изменяя концентрацию свободных носителей заряда в пластине, добиваются совпадения плазменной частоты материала пластины с частотой модулируемого излучения, в этом случае коэффициент отражения будет минимальным. Затем увеличивая концентрацию свободных носителей еще на определенную величину, добиваются увеличения коэффициента отражения пластины, и тем самым происходит модуляция интенсивности ИК-излучения.The radiation passing through the semiconductor is absorbed in it, and the absorption coefficient is directly proportional to the concentration of free charge carriers in the semiconductor. By changing the concentration of carriers using an electric field, the radiation is modulated at a wavelength of 337 μm, reaching a modulation coefficient of 40
The disadvantages of this method and device are the low modulation coefficient for the wavelengths of the middle infrared region, because the free-carrier absorption coefficient of light is proportional to the squared wavelength of the modulated radiation, for the same reason, the narrow frequency range of the modulated radiation, and also because of the fact that the modulator works in light, there are large losses in the intensity of the modulated radiation due to reflection on the semiconductor faces records reaching 60
The closest in technical essence to the present invention is a method of modulating electromagnetic radiation, comprising irradiating a semiconductor wafer with modulated radiation and changing the reflectivity of the wafer in the region of plasma resonance by changing the concentration of free carriers. This method is implemented in the device [3] in which a change in the reflectivity of the semiconductor wafer, and thereby modulation of infrared radiation occurs due to the fact that the wafer made of a semiconductor with its own conductivity, with a thickness comparable to the diffusion length of the charge carriers, and equipped in the end part with contacts, by means of which it is connected to a control source of electric voltage, is placed in crossed electric and magnetic fields. In this case, the wide faces of the wafer must have different surface recombination rates: large and small, and a layer of an identical semiconductor having impurity conductivity, the thickness of which l must satisfy the condition L _e ≅ l ≅ λ / 4πn, is deposited on the surface with a lower surface recombination rate L _{e is the} screening radius or Debye radius of the layer material, λ is the wavelength of the modulated radiation, n is the refractive index of the layer. A modulated source and a modulated radiation receiver are arranged on the side of this surface. By choosing the magnitude and direction of the electric and magnetic fields, changing the concentration of free charge carriers in the plate, the plasma frequency of the plate material coincides with the frequency of the modulated radiation, in this case, the reflection coefficient will be minimal. Then, increasing the concentration of free carriers by another certain amount, they achieve an increase in the reflection coefficient of the plate, and thereby modulation of the intensity of infrared radiation occurs.

Недостатки прототипа заключаются в следующем. Большая энергия управляющего воздействия затрачивается, во-первых, на изменение концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковой пластине, чтобы обеспечить совпадение плазменной частоты материала пластины с частотой модулируемого излучения, а во-вторых, на дополнительное изменение концентрации, обусловленное уже непосредственной модуляцией ИК-излучения. Узкий частотный диапазон модулируемого излучения определяется диапазоном изменяемых концентраций носителей заряда полупроводникового материала пластины и возможностями для этого скрещенных электрического и магнитного полей. Сложность обусловлена необходимостью нанесения специально подобранного слоя на поверхность полупроводниковой пластины. The disadvantages of the prototype are as follows. A large amount of control energy is expended, firstly, to change the concentration of free charge carriers in the semiconductor wafer, to ensure that the plasma frequency of the wafer material coincides with the frequency of the modulated radiation, and secondly, to additionally change the concentration due to the direct modulation of infrared radiation. The narrow frequency range of the modulated radiation is determined by the range of variable carrier concentrations of the semiconductor wafer material and the possibilities for this of crossed electric and magnetic fields. The complexity is due to the need to apply a specially selected layer on the surface of the semiconductor wafer.

В настоящем изобретении модулируемым электромагнитным излучением облучают поверхность полупроводниковой пластинки в условиях возбуждения этим излучением на поверхности пластины поверхностных поляритонов, в этом случае интенсивность возбудившего поверхностные поляритоны излучения будет минимальна, затем изменяя концентрацию свободных носителей заряда в приповерхностной области пластины, нарушают условия возбуждения поверхностных поляритонов на частоте модулируемого излучения и тем самым увеличивают интенсивность модулируемого электромагнитного излучения. In the present invention, the surface of the semiconductor wafer is irradiated with modulated electromagnetic radiation under conditions of excitation of surface polaritons by the radiation on the wafer surface, in this case the intensity of the radiation that excites surface polaritons will be minimal, then changing the concentration of free charge carriers in the surface region of the wafer violates the conditions for the excitation of surface polaritons at a frequency modulated radiation and thereby increase the modulated intensity of electromagnetic radiation.

Такой способ может быть реализован устройством, содержащим пластину из полупроводника с собственной проводимостью, плоскости которой имеют разные скорости поверхностной рекомбинации, а толщина сравнима с диффузионной длиной носителей заряда, помещенной в скрещенные магнитное и электрическое поля, перед поверхностью которой с меньшей скоростью рекомбинации расположена призма нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) на расстоянии меньше

, где λ длина волны модулируемого излучения, n показатель преломления призмы, v угол падения модулируемого излучения в призме НПВО.Such a method can be implemented by a device containing a plate of a semiconductor with intrinsic conductivity, the planes of which have different surface recombination rates, and the thickness is comparable to the diffusion length of charge carriers placed in crossed magnetic and electric fields, in front of which there is a prism of a broken total internal reflection (ATR) at a distance less than

where λ is the wavelength of the modulated radiation, n is the refractive index of the prism, v is the angle of incidence of the modulated radiation in the prism of the ATR.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. The essence of the invention is as follows.

На границе раздела полупроводникового кристалла, диэлектрическая проницаемость которого e со средой с диэлектрической проницаемостью e₁ в диапазоне частот ω когда e < -ε₁, в результате взаимодействия электромагнитного излучения с элементарными возбуждениями кристалла (фононы, плазмоны и т.п.) возможно распространение поверхностных поляритонов (ПП) поверхностных p-поляризованных электромагнитно-механических возбуждений, переносящих энергию вдоль границы раздела, поля которых в каждой среде затухают при удалении от границы раздела.At the interface of a semiconductor crystal, the dielectric constant of which is e with a medium with a dielectric constant of e ₁ in the frequency range ω when e <-ε ₁ , as a result of the interaction of electromagnetic radiation with elementary excitations of the crystal (phonons, plasmons, etc.), surface polaritons (PP) of surface p-polarized electromagnetic-mechanical excitations that carry energy along the interface, the fields of which in each medium decay with distance from the interface.

Взаимодействие электромагнитного излучения с плазмонами полупроводникового кристалла при возбуждении ПП описывается функцией диэлектрической проницаемости кристалла вида

,
где e_∞ высокочастотная диэлектрическая проницаемость кристалла,

плазменная частота кристалла, N концентрация свободных носителей, m^* их эффективная масса.The interaction of electromagnetic radiation with plasmons of a semiconductor crystal upon excitation of an SC is described by the dielectric function of a crystal of the form

,
where e _{∞ is the} high-frequency dielectric constant of the crystal,

crystal plasma frequency, N concentration of free carriers, m ^* their effective mass.

Для поверхностных плазмон-поляритонов полупроводникового кристалла, граничащего с воздухом ε₁ 1, область существования определяется условием ε(ω) < -1, которое справедливо для частот

, а дисперсионная зависимость плазменных ПП, т.е. связь частоты ПП с их волновым вектором k_x имеет вид, показанный на фиг. 1.For surface plasmon polaritons of a semiconductor crystal adjacent to air ε ₁ 1, the region of existence is determined by the condition ε (ω) <-1, which is valid for frequencies

, and the dispersion dependence of plasma PP, i.e. the relation between the frequency of the SP and their wave vector k _x has the form shown in FIG. one.

Волновой вектор ПП

, где с скорость света в вакууме, поэтому ПП не взаимодействуют с обычным светом, т.к. в этом случае невозможно одновременно выполнить законы сохранения энергии и импульса. Для возбуждения и изучения ПП существуют различные методы, позволяющие одновременно обеспечить совпадение частоты и волнового вектора внешнего излучения с частотой и волновым вектором ПП, например метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), метод комбинационного рассеяния света (KРС), метод дифракционной решетки и др. При всем их различии для них всех характерно изменение энергии излучения в случае выполнения условий возбуждения ПП.PP wave vector

, where c is the speed of light in vacuum, therefore PP do not interact with ordinary light, because in this case, it is impossible to simultaneously comply with the laws of conservation of energy and momentum. There are various methods for exciting and studying SPs, which simultaneously ensure the coincidence of the frequency and wave vector of external radiation with the frequency and wave vector of the SP, for example, the method of impaired total internal reflection (ATR), the Raman scattering method (KRS), the diffraction grating method, etc. For all their differences, all of them are characterized by a change in the radiation energy if the conditions for the excitation of the SP are satisfied.

Для возбуждения плазменных ПП авторы использовали метод НПВО, в котором поверхность полупроводникового кристалла освещают электромагнитным излучением с частотой

через призму НПВО с показателeм преломлений n расположенную на расстоянии d от поверхности кристалла, причем излучение в призме распространяется под углом Φ который больше критического

(фиг. 2), и измеряют коэффициент отражения. При полном внутреннем отражении в зазор между основанием призмы и поверхностью пластины проникает поле возбуждающей волны, затухающее по экспоненциальному закону, которое, если

и при совпадении частоты и волнового вектора возбуждающей волны, равного

, с частотой и волновым вектором ПП, взаимодействует с ПП, т.е. энергия внешнего излучения перекачивается в энергию ПП, происходит нарушение полного внутреннего отражения. Обычно в методе НПВО нарушают полное внутреннее отражение при возбуждении ПП, или подбирая частоту возбуждающего ПП излучения при постоянном угле падения этого излучения в призме НПВО (сканирование по частоте), или подбирая угол падения при фиксированной частоте возбуждающего ПП излучения (сканирование по углу). В обоих случаях зависимость коэффициента НПВО R от частоты или угла имеет вид, показанный на фиг. 3. Минимумы в этих зависимостях соответствуют частоте возбужденного ПП в случае сканирования по частоте или углу, при котором происходит возбуждение ПП в случае сканирования по углу. Изменяя частоту внешнего излучения и угол падения его в призме НПВО, можно обоими способами возбуждать ПП из всего частотного диапазона существования ПП.To excite plasma PP, the authors used the ATR method, in which the surface of a semiconductor crystal is illuminated with electromagnetic radiation with a frequency

through an ATR prism with a refractive index n located at a distance d from the crystal surface, and the radiation in the prism propagates at an angle Φ which is greater than the critical

(Fig. 2), and measure the reflection coefficient. With total internal reflection, the field of the exciting wave penetrates into the gap between the base of the prism and the plate surface, which decays according to the exponential law, which, if

and with the coincidence of the frequency and the wave vector of the exciting wave, equal to

, with the frequency and wave vector of the PP, interacts with the PP, i.e. the energy of external radiation is pumped into the energy of the PP, there is a violation of the total internal reflection. Usually, in the ATR method, the total internal reflection is violated when PP is excited, either by choosing the frequency of the exciting PP radiation at a constant angle of incidence of this radiation in the prism of the ATR (frequency scanning), or by choosing the angle of incidence at a fixed frequency of the exciting PP radiation (scanning by angle). In both cases, the dependence of the ATR coefficient R on the frequency or angle has the form shown in FIG. 3. The minima in these dependences correspond to the frequency of the excited SP in the case of scanning by the frequency or angle at which the SP excitation occurs in the case of scanning by the angle. By changing the frequency of the external radiation and the angle of incidence in the prism of the ATR, it is possible to excite SPs from both the entire frequency range of the SP existence by both methods.

Авторы установили, что плазменные ПП можно также возбуждать методом НПВО, сканируя не только частоту возбуждающего ПП излучения или угол его падения в призме НПВО, но и концентрацию неравновесных носителей заряда в приповерхностной области полупроводникового кристалла. Т.к. в случае изменения концентрации неравновесных носителей заряда при фиксированных частоте и угле падения внешнего излучения происходит изменение величины коэффициента НПВО R, то это позволяет осуществить модуляцию возбуждающего ПП излучения. The authors found that plasma PP can also be excited by the ATR method, scanning not only the frequency of the exciting PP radiation or the angle of incidence in the prism of the ATR, but also the concentration of nonequilibrium charge carriers in the surface region of the semiconductor crystal. Because in the case of a change in the concentration of nonequilibrium charge carriers at a fixed frequency and angle of incidence of external radiation, a change in the ATR coefficient R occurs, this allows modulation of the exciting PP radiation.

Для определения влияния концентрации неравновесных носителей заряда на величину коэффициента нарушенного полного внутреннего отражения в условиях возбуждения плазменных ПП воспользуемся результатами работы [4] в которой определен коэффициент отражения в методе НПВО в условиях возбуждения фононных ПП. To determine the effect of the concentration of nonequilibrium charge carriers on the value of the coefficient of impaired total internal reflection under the conditions of excitation of plasma SPs, we use the results of [4] in which the reflection coefficient in the ATR method is determined under conditions of phonon SP excitation.

В случае возбуждения плазменных ПП коэффициент НПВО R будет иметь вид

,
где

γ коэффициент затухания плазмонов.In the case of excitation of plasma PP, the ATR coefficient R will have the form

,
Where

γ attenuation coefficient of plasmons.

Используя эти формулы, строим зависимость коэффициента отражения R от концентрации свободных носителей N при фиксированных частоте и угле падения возбуждающего ПП излучения в призме НПВО. Положение минимума в этом спектре характеризует концентрацию свободных неравновесных носителей заряда, при которой частота и волновой вектор внешнего излучения соответствуют частоте и волновому вектору ПП, возбуждаемым в пластине. Using these formulas, we construct the dependence of the reflection coefficient R on the concentration of free carriers N at a fixed frequency and angle of incidence of the exciting PP radiation in the prism of the ATR. The position of the minimum in this spectrum characterizes the concentration of free nonequilibrium charge carriers, at which the frequency and wave vector of external radiation correspond to the frequency and wave vector of the PP excited in the plate.

На фиг. 4 для примера показан спектр НПВО плазменных ПП кристалла JnSb при частоте возбуждающего ПП излучения ω = 85см^-1 и угле падения излучения в призме НПВО Φ = 48⁰.In FIG. Figure 4 shows, for example, the ATR spectrum of the plasma PP of the JnSb crystal at the frequency of the exciting PP of radiation ω = 85 cm ^-1 and the angle of incidence of the radiation in the prism of the FTIR Φ = 48 ⁰ .

Таким образом, изменяя концентрацию свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводникового кристалла, за счет возбуждения плазменных ПП можно осуществлять модуляцию электромагнитного излучения. Thus, by changing the concentration of free charge carriers in the surface region of a semiconductor crystal, modulation of electromagnetic radiation can be carried out due to the excitation of plasma PPs.

Однако такой прямой процесс модуляции характеризуется теми же недостатками, что и прототип, а именно: большими энергетическими затратами и узким частотным диапазоном модулируемого излучения. However, such a direct modulation process is characterized by the same drawbacks as the prototype, namely: high energy costs and a narrow frequency range of modulated radiation.

Поэтому для устранения этих недостатков авторы предлагают сочетать преимущества возбуждения плазменных ПП методом НПВО (сканирование по углу) и метод HПВO (сканирование по концентрации). Therefore, to eliminate these drawbacks, the authors propose to combine the advantages of excitation of plasma PP by the ATR method (scanning by angle) and the NPVO method (scanning by concentration).

Действительно, если имеется полупроводниковая пластина с концентрацией равновесных носителей заряда N и необходимо произвести модуляцию электромагнитного излучения с частотой

, то, изменяя угол падении этого излучения в призме НПВО, добиваются возбуждении ПП, пусть это произойдет при угле Φ₁ (фиг. 5, сплошная кривая 1).Indeed, if there is a semiconductor wafer with a concentration of equilibrium charge carriers N and it is necessary to modulate electromagnetic radiation with a frequency

then, by changing the angle of incidence of this radiation in the prism of the ATR, they achieve the excitation of PP, let this happen at an angle Φ ₁ (Fig. 5, solid curve 1).

Затем создают неравновеcные носители заряда в приповерхностной области с концентрацией N+ΔN, для которых угол возбуждения ПП будет уже другой Φ₂ (фиг. 5, штрихованная кривая 2), т.е. нарушается условие возбуждения ПП на равновесных носителях, в результате чего происходит модуляция отраженного луча.Then, non-uniform charge carriers are created in the surface region with a concentration of N + ΔN, for which the PP excitation angle will already be different Φ ₂ (Fig. 5, dashed curve 2), i.e. the condition of PP excitation on equilibrium carriers is violated, as a result of which the reflected beam is modulated.

Авторы установили, что в этом случае для осуществления модуляции необходимые изменения концентрации ΔN зависят от концентрации равновесных носителей заряда, и, например, для достижения 90% коэффициента модуляции, используя пластину из JnSb, имеют значения ΔN = 0,03N. The authors found that in this case, for the implementation of modulation, the necessary changes in the concentration ΔN depend on the concentration of the equilibrium charge carriers, and, for example, to achieve 90% modulation coefficient using a plate from JnSb, have the values ΔN = 0.03N.

Необходимые изменения концентрации свободных носителей достигаются в устройстве, блок-схема которого представлена на фиг. 6. Устройство содержит пластинку 1 полупроводника, магнит 2, источник управляющего напряжения 3, источник модулируемого излучения 4,5, призму НПВО 6, грань полупроводниковой пластины с малой скоростью поверхностной рекомбинации 7. The necessary changes in the concentration of free carriers are achieved in the device, a block diagram of which is shown in FIG. 6. The device comprises a semiconductor plate 1, a magnet 2, a control voltage source 3, a modulated radiation source 4.5, an ATR prism 6, a semiconductor wafer face with a low surface recombination rate 7.

В процессе работы устройства изменение концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике с собственной проводимостью (т.е. генерация неравновесных носителей) осуществляется путем воздействия на кристалл скрещенных электрического E и магнитного H полей (магнитоконцентрационный эффект). During operation of the device, a change in the concentration of free charge carriers in a semiconductor with intrinsic conductivity (i.e., the generation of nonequilibrium carriers) is carried out by exposing the crystal to crossed electric E and magnetic H fields (magnetoconcentration effect).

В условиях магнитоконцентрационного эффекта полупроводниковая пластина, толщина которой сравнима с диффузионной длиной носителей заряда, помещается в постоянное магнитное поле, а электрическое поле, как правило, прикладывается в виде импульсов. При одновременном воздействии скрещенных EхH полей на широкие грани кристалла под действием силы Лоренца выносятся носители заряда. Указанные грани пластины предварительно обрабатываются так, что на одной из них скорость поверхностной рекомбинации минимальна, на другой максимальна. В такой ситуации заметные отклонения концентрации носителей от равновесного значения наблюдаются именно у поверхности, имеющей малую скорость поверхностной рекомбинации. Здесь при одном направлении поля E концентрация увеличивается, при другом направлении уменьшается. Отклонение возрастает с увеличением произведения EхН. Отметим, что неравновесные носители у поверхности кристалла с малой скоростью поверхностной рекомбинации распределяются по определенному закону, зависящему от параметров полупроводника и величины внешнего воздействия, влияющего на процессы диффузионно-полевых потоков электронов и дырок. Under the conditions of the magnetoconcentration effect, a semiconductor wafer, the thickness of which is comparable to the diffusion length of the charge carriers, is placed in a constant magnetic field, and the electric field, as a rule, is applied in the form of pulses. With the simultaneous action of crossed ExH fields on wide crystal faces, charge carriers are carried out under the action of the Lorentz force. The indicated faces of the plate are pre-processed so that on one of them the surface recombination rate is minimal, on the other it is maximum. In such a situation, noticeable deviations of the carrier concentration from the equilibrium value are observed precisely at the surface, which has a low surface recombination rate. Here, in one direction of the field E, the concentration increases, in the other direction decreases. Deviation increases with increasing product Ex. Note that nonequilibrium carriers near the crystal surface with a low surface recombination rate are distributed according to a certain law, which depends on the parameters of the semiconductor and the magnitude of the external influence that affects the processes of diffusion-field flows of electrons and holes.

Таким образом, в предлагаемом изобретении модуляция электромагнитного излучения любой частоты

происходит путем нарушения условий возбуждения на модулируемой частоте плазменных ПП через создание неравновесных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника, что уменьшает основные энергетические расходы предлагаемого способа. Так как частота возбуждаемых ПП зависит от угла падения в призме НПВО возбуждающего ПП излучения (дисперсия ПП, фиг. 1, где

), то возбуждение ПП на модулируемой частоте осуществляется путем подбора угла падения излучения в призме НПВО, что значительно проще, чем изменение концентрации свободных носителей заряда. Это и обусловливает основное уменьшение энергозатрат предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Потому что в прототипе энергия затрачивается как на измене концентрации свободных носителей заряда в пластине, чтобы обеспечить совпадение плазменной частоты материала с частотой модулируемого излучения, необходимое изменение концентрации при этом равно

так и непосредственно уже на модуляцию электромагнитного излучения, дополнительное изменение концентрации носителей заряда при достижении, например, 90% коэффициента модуляции К равно

Для пластины из JnSb у которого ε_∞ = 15,7, ΔN" ≈ 0,02N.Thus, in the present invention, the modulation of electromagnetic radiation of any frequency

occurs by violating the excitation conditions at the modulated frequency of plasma PPs through the creation of nonequilibrium charge carriers in the surface region of the semiconductor, which reduces the main energy costs of the proposed method. Since the frequency of the excited PP depends on the angle of incidence in the prism of the ATR of the exciting PP radiation (dispersion of the PP, Fig. 1, where

), then the excitation of PP at a modulated frequency is carried out by selecting the angle of incidence of radiation in the prism of the ATR, which is much simpler than changing the concentration of free charge carriers. This determines the main reduction in energy consumption of the proposed method in comparison with the prototype. Because in the prototype the energy is expended as a change in the concentration of free charge carriers in the plate to ensure that the plasma frequency of the material matches the frequency of the modulated radiation, the necessary change in concentration is

and directly already on the modulation of electromagnetic radiation, an additional change in the concentration of charge carriers when, for example, reaching 90% of the modulation coefficient K is equal to

For a plate made of JnSb in which ε _∞ = 15.7, ΔN "≈ 0.02N.

Полные же энергетические модуляционные затраты в прототипе определяются суммарным изменением концентрации свободных носителей заряда ΔN_n = ΔN′ + ΔN".The full energy modulation costs in the prototype are determined by the total change in the concentration of free charge carriers ΔN _n = ΔN ′ + ΔN ".

В прототипе почти во всем частотном диапазоне модулируемых излучений ΔN′ >> ΔN", тогда как величина изменения носителей заряда в предлагаемом изобретении ΔN ≈ ΔN"(ΔN = 0,03N, ΔN" ≃ 0,02N). Cледовательно, ΔN<<ΔN_n.In the prototype, in almost the entire frequency range of modulated emissions ΔN ′ >> ΔN ", while the magnitude of the change in charge carriers in the present invention is ΔN ≈ ΔN" (ΔN = 0.03N, ΔN "≃ 0.02N). Consequently, ΔN << ΔN _n

Другая причина, по которой в предлагаемом изобретении происходит уменьшение энергетических затрат по сравнению с прототипом, связана с тем, что указанные изменения концентрации носителей ΔN_n и ΔN необходимо производить в приповерхностных слоях полупроводниковой пластины, определяемые в прототипе глубиной проникновения обычной объемной волны, равной

, где λ длина волны модулируемого излучения, e диэлектрическая проницаемость материала полупроводниковой пластины, в предлагаемом изобретении глубиной проникновения поверхностной волны, равной

, где n показатель преломления призмы НПВО. Очевидно, что всегда

Расширение частотного диапазона модулируемого излучения происходит из-за того, что в заявляемом изобретении этот диапазон определяется областью существования плазменных ПП

, тогда как в прототипе он определяется диапазоном изменяемых концентраций носителей заряда в материале собственного полупроводника пластины, к тому же он еще может сужаться возможностями скрещенных магнитного и электрического полей, используемых для этих целей.Another reason why in the present invention there is a reduction in energy costs compared with the prototype is due to the fact that the indicated changes in the concentration of carriers ΔN _n and ΔN must be made in the surface layers of the semiconductor wafer, which are determined in the prototype by the penetration depth of an ordinary body wave equal to

where λ is the wavelength of the modulated radiation, e is the dielectric constant of the material of the semiconductor wafer, in the present invention, the penetration depth of the surface wave equal to

where n is the refractive index of the prism of the ATR prism. Obviously always

The expansion of the frequency range of modulated radiation is due to the fact that in the claimed invention this range is determined by the region of existence of plasma PP

, while in the prototype it is determined by the range of variable concentrations of charge carriers in the material of the own semiconductor wafer, in addition, it can still be narrowed by the possibilities of crossed magnetic and electric fields used for these purposes.

Упрощение в изобретении обуславливается тем, что для достижения широкого частотного диапазона модулируемого излучения в предлагаемом изобретении нет необходимости использовать полупроводниковую пластину со специально нанесенным на нее полупроводниковым слоем, обладающим определенными, строго выдержанными, характеристиками (например, толщина, тип проводимости и т.д.). The simplification in the invention is due to the fact that in order to achieve a wide frequency range of modulated radiation in the present invention there is no need to use a semiconductor wafer with a specially applied semiconductor layer having certain, strictly seasoned, characteristics (for example, thickness, type of conductivity, etc.) .

Пример. Example.

Модуляция электромагнитного излучения в условиях предлагаемого изобретения проводилась с использованием лазера на парах тяжелой воды, работающего в непрерывном режиме (выходная мощность 400 мВт). Модулирующим элементом служила пластина антимонида индия с собственной проводимостью, концентрация равновесных носителей N 2х10¹⁶ см^-3, температура T 300 К. Пластина обрабатывалась таким образом, что на одной из ее граней скорость поверхностной рекомбинации была порядка 10³ см/с (отражающая грань), на другой 2х10⁵ см/с. Пластина отражающей гранью была обращена к основанию призмы НПВО, выполненной из полиэтилена, и установлена на расстоянии ≈ 0,1 мм от нее. Полупроводниковый кристалл помещался в магнитное поле напряженностью 5 кЭ. Электрическое поле величиной до 1 В подавалось в виде прямоугольных импульсов, что обеспечивало изменение поверхностной концентрации носителей на величину ΔN = 0,05N. В качестве согласующего устройства между генератором электрических импульсов Г5-54 и кристаллом использовался эмиттерный повторитель. Излучение лазера с длиной волны 176 мкм направлялось на призму (фиг.6) отраженный луч регистрировался фотоприемником, выполненным на основе JnSb и охлажденным до 4 К. Сигнал с фотоприемника поступал на осциллограф С8-17.Modulation of electromagnetic radiation in the conditions of the present invention was carried out using a heavy water vapor laser operating continuously (output power 400 mW). The modulating element was an indium antimonide plate with intrinsic conductivity, the concentration of equilibrium carriers N 2x10 ¹⁶ cm ^-3 , and a temperature T 300 K. The plate was processed in such a way that the surface recombination rate was about 10 ³ cm / s on one of its faces (reflecting face) , on the other 2x10 ⁵ cm / s. The plate with the reflecting face was facing the base of the ATR prism made of polyethylene and installed at a distance of ≈ 0.1 mm from it. The semiconductor crystal was placed in a magnetic field with a strength of 5 kOe. An electric field of up to 1 V was supplied in the form of rectangular pulses, which ensured a change in the surface concentration of carriers by ΔN = 0.05N. An emitter follower was used as a matching device between the G5-54 electric pulse generator and the crystal. Laser radiation with a wavelength of 176 μm was directed to a prism (Fig.6), the reflected beam was recorded by a JnSb-based photodetector and cooled to 4 K. The signal from the photodetector was fed to a C8-17 oscilloscope.

Лазер и призма с кристаллом располагались таким образом, чтобы плоскость колебаний электрического ректора световой волны была перпендикулярна граням призмы НПВО (p-поляризация).Далее устанавливался угол падения излучения на основание призмы, соответствующий минимальной интенсивности отраженного луча, и осуществлялась модуляция излучения электрическим полем. The laser and the prism with the crystal were positioned so that the plane of oscillation of the electric rector of the light wave was perpendicular to the edges of the ATR prism (p-polarization). Next, the angle of incidence of radiation at the base of the prism was established, corresponding to the minimum intensity of the reflected beam, and the radiation was modulated by the electric field.

В результате достигались максимальные значения коэффициента модуляции более 90% а минимальное время срабатывания 10^-8 с.As a result, the maximum values of the modulation coefficient were reached over 90% and the minimum response time was 10 ^-8 s.

Видно, что в изобретении для достижения 90% модуляции необходимо изменить концентрацию свободных носителей заряда до величины 2,03х10¹⁶ см^-3 (прикладываемое напряжение E 0,8 В, Н 5 кЭ), тогда как в прототипе для достижения тех же значений коэффициента модуляции на той же длине волны необходимо изменять концентрацию носителей до величины 1,7х10¹⁷ см^-3 (прикладываемое напряжение E 5 B, Н 5 кЭ).It is seen that in the invention to achieve 90% modulation, it is necessary to change the concentration of free charge carriers to a value of 2.03x10 ¹⁶ cm ^-3 (applied voltage E 0.8 V, H 5 kOe), while in the prototype to achieve the same values of the modulation coefficient at the same wavelength, it is necessary to change the concentration of carriers to a value of 1.7x10 ¹⁷ cm ^-3 (applied voltage E 5 B, N 5 kOe).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет модулировать электромагнитное излучение в широком частотном диапазоне, затрачивая небольшие энергии, просто в применении, обеспечивает большие величины коэффициента модуляции, обладает большим быстродействием, не требует уникального оборудования и может быть широко использовано в народном хозяйстве, особенно в системах оптической обработки информации, а также при реализации оптической связи. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 Thus, the present invention allows to modulate electromagnetic radiation in a wide frequency range, spending small energies, easy to use, provides large values of the modulation coefficient, has high speed, does not require unique equipment and can be widely used in the national economy, especially in optical processing systems information, as well as the implementation of optical communications. YYY2 YYY4

Claims

1. The method of modulation of electromagnetic radiation, which consists in sending modulated radiation to the surface of a semiconductor wafer and changing the concentration of free carriers in the wafer, characterized in that the modulated radiation is sent with a frequency

at an angle of total internal reflection to the plate surface, exciting surface plasma polaritons, and the concentration of free carriers is changed within the limits sufficient to violate the conditions for the excitation of surface plasma polaritons at a frequency of modulated radiation.

2. Device for modulating electromagnetic radiation, containing a plate of a semiconductor with intrinsic conductivity, two opposite surfaces of which have different surface recombination rates, and the distance between them is comparable to the diffusion length of charge carriers placed in crossed magnetic and electric fields, characterized in that before the surface of the plate with a lower recombination rate is a prism of impaired total internal reflection at a distance less than

where λ is the wavelength of the modulated radiation;
n prism refractive index;
Φ is the angle of incidence of the modulated radiation in the prism.