RU2324961C1 - Optical modulator of complex wave signals - Google Patents
Optical modulator of complex wave signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2324961C1 RU2324961C1 RU2006135828/28A RU2006135828A RU2324961C1 RU 2324961 C1 RU2324961 C1 RU 2324961C1 RU 2006135828/28 A RU2006135828/28 A RU 2006135828/28A RU 2006135828 A RU2006135828 A RU 2006135828A RU 2324961 C1 RU2324961 C1 RU 2324961C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- active element
- light source
- optically transparent
- metal electrode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптоэлектроники, конкретно - к оптическим модуляторам сигналов сложной формы, которые могут быть использованы в устройствах обработки оптической информации, в волоконно-оптических системах информационного обмена, медицинской аппаратуре различного назначения и приборостроении.The invention relates to the field of optoelectronics, in particular to optical modulators of complex waveform signals that can be used in optical information processing devices, in fiber-optic information exchange systems, medical equipment for various purposes and instrumentation.
Известны оптические модуляторы, в которых для одноканальной или многоканальной модуляции оптического сигнала используются оптические, электрооптические, акустооптические, магнитооптические и т.д. методы модуляции оптического сигнала. В зависимости от сферы их применения, спектрального диапазона, мощности управляемого оптического сигнала и т.п. для формирования оптического сигнала с необходимыми пространственно-временными и фазовыми характеристиками используются как различные по конструкции модуляторы, так и способы управления ими.Optical modulators are known in which optical, electro-optical, acousto-optical, magneto-optical, etc. are used for single-channel or multi-channel modulation of an optical signal. modulation methods of the optical signal. Depending on the scope of their application, the spectral range, the power of the controlled optical signal, etc. To form an optical signal with the necessary spatio-temporal and phase characteristics, both modulators of various designs and their control methods are used.
Одним из вариантов фазового модулятора света, обеспечивающего формирование переменных сигналов сложной формы в волоконно-оптическом контуре гироскопа (ВОГ) с серродинной схемой управления, является электрооптический модулятор (см. В.Е.Прилуцкий, Ю.К.Пылаев, А.Г.Губин, Ю.Н.Коркишко, В.А.Федоров, Е.М.Падерин. Прецизионный волоконно-оптический гироскоп с линейным цифровым выходом. Мат. докл.9 Международной Санкт-Петербургской конференции по интегрированным навигационным системам, г.Санкт-Петербург, 27-29 мая 2002 г., стр.180-189. Из-во ЦНИИ электроприбор, г.Санкт-Петербург).One of the options for a phase light modulator that provides the formation of variable signals of complex shape in the fiber-optic circuit of a gyroscope (FOG) with a serrodynamic control circuit is an electro-optical modulator (see V.E. Prilutsky, Yu.K. Pylaev, A.G. Gubin , Yu.N. Korkishko, V. A. Fedorov, E. M. Paderin, Precision fiber-optic gyroscope with linear digital output, Mat. Doc. 9th International St. Petersburg Conference on Integrated Navigation Systems, St. Petersburg, May 27-29, 2002, pp. 180-189. River, St. Petersburg).
Многофункциональный электрооптический фазовый модулятор света, реализованный в интегрально-оптическом виде, представляет собой двухплечевое устройство, выполненное в виде Y-разветвителя канальных волноводов на кристалле Х-среза LiNbO3. Фазовая модуляция светового потока при формировании переменного оптического сигнала специальной сложной формы (представляющего собой сочетание сигналов пилообразного и прямоугольного вида) различной частоты и длительности в двухплечевом модуляторе (в обоих каналах одновременно или раздельно в любом из них) осуществляется за счет приложения импульсного напряжения соответствующей формы, частоты, длительности и амплитуды к электродам модулятора, что приводит в электрооптическом кристалле LiNbO3 к фазовой модуляции светового потока и формированию на выходе промодулированного по фазе оптического сигнала, пространственная форма которого соответствует форме электрического сигнала, подаваемого на электроды модулятора.The multifunctional electro-optical phase light modulator, implemented in the integrated optical form, is a two-arm device made in the form of a Y-splitter of channel waveguides on an X-cut crystal LiNbO 3 . Phase modulation of the light flux during the formation of an alternating optical signal of a special complex shape (which is a combination of sawtooth and rectangular signals) of different frequency and duration in a two-arm modulator (in both channels simultaneously or separately in any of them) is carried out by applying an appropriate voltage pulse voltage, frequency, duration and amplitude to the electrodes of the modulator, which leads in the electro-optical crystal LiNbO 3 to phase modulation of the light flux and framing at the output of a phase-modulated optical signal, the spatial shape of which corresponds to the shape of the electrical signal supplied to the modulator electrodes.
К числу основных недостатков такого модулятора следует отнести невысокую энергетическую, фазовую и спектральную стабильность оптических импульсов сложной формы, сформированных им при модуляции оптического излучения, высокое вносимое затухание, а также необходимость использования прецизионных электронных схем, формирующих пилообразное напряжение с крутым срезом.The main disadvantages of such a modulator include the low energy, phase, and spectral stability of complex optical pulses formed by them during optical radiation modulation, high insertion loss, and the need to use precision electronic circuits that form a sawtooth voltage with a sharp slice.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому устройству является принятый за прототип светоуправляемый модулятор светового потока (см. Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol.537-26, pp.239-248. Optical Sciences Ctr./Univ. of Arizona, Tucson, AZ, USA).The closest in technical essence and the achieved positive effect to the claimed device is a light-controlled modulator of light flux adopted as a prototype (see Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol. 537-26, pp. 249-248. Optical Sciences Ctr./Univ. Of Arizona, Tucson, AZ, USA).
Данное устройство включает размещенный между двумя поляризаторами активный элемент, представляющий собой М1ПТДМ2 структуру, где M1 - первый металлический электрод, П - полупроводник, ТД - туннельный диэлектрик, М2 - второй металлический электрод. Структура создана на основе электрооптического кристалла p-CdTe, на одной из граней которого выполнен n-p переход, а на противоположной грани расположен слой туннельного диэлектрика, поверх которого нанесен металлический электрод. Кроме того, данное устройство содержит источник прямоугольных импульсов управляющего света и источник управляемого света, оптически связанные с гранью структуры, содержащей n-p переход, а также источник постоянного напряжения, электрически связанный с электродами М1ПТДМ2 структуры.This device includes an active element located between two polarizers, which is an M 1 PTDM 2 structure, where M 1 is the first metal electrode, P is a semiconductor, TD is a tunneling dielectric, M 2 is a second metal electrode. The structure is based on an electro-optical p-CdTe crystal, on one of the faces of which an np junction is performed, and on the opposite side is a tunneling dielectric layer over which a metal electrode is deposited. In addition, this device contains a source of rectangular pulses of control light and a source of controlled light optically connected to the face of the structure containing the np junction, as well as a constant voltage source electrically connected to the electrodes M 1 of the PTDM 2 structure.
Действие светоуправляемого модулятора светового потока - прототипа основано на эффекте пространственного перераспределения напряженности электрического поля в объеме туннельной М1ПТДМ2 структуры при воздействии внешнего освещения. К электродам структуры прикладывается внешнее смещение, соответствующее напряжению обратного смещения n-p перехода, что приводит к неоднородному распределению электрического поля в объеме кристалла. При этом в отсутствие воздействия управляющим светом все электрическое поле сосредоточено в обедненной области n-p перехода, а в базе кристалла его величина близка к нулю. Управляемый линейно-поляризованный световой поток в виде узкого пучка света пропускается вдоль области объемного заряда (ООЗ) n-p перехода структуры. По мере распространения вдоль ООЗ n-p перехода в управляемом световом потоке происходит поворот плоскости поляризации от нуля до 90°, в результате чего, при параллельной ориентации осей поляризации между входным и выходным поляризаторами он полностью гасится на выходе структуры выходным поляризатором. Освещение структуры "собственным" светом с энергией квантов hν≥Eg, (где hν - энергия кванта, Eg - ширина запрещенной зоны материала кристалла) со стороны грани кристалла, содержащей n-p переход, приводит за счет внутреннего фотоэффекта к генерации электронно-дырочных пар и соответственно к изменению исходного распределения напряженности электрического поля в объеме структуры. На время воздействия освещения электрическое поле "сбрасывается" из области объемного заряда n-р перехода в базовую область кристалла, где на то же время локализуется в узкой приконтактной области неосвещаемого электрода. В свою очередь, это приводит к сохранению в управляемом световом потоке исходной плоскости поляризации при его распространении вдоль ООЗ n-р перехода и на время действия управляющего освещения к его пропусканию выходным поляризатором в виде импульса света.The action of the light-controlled light flux modulator - the prototype is based on the effect of spatial redistribution of the electric field in the volume of the tunnel M 1 PTDM 2 structure when exposed to external lighting. An external bias is applied to the electrodes of the structure, corresponding to the reverse bias voltage np of the junction, which leads to an inhomogeneous distribution of the electric field in the bulk of the crystal. In this case, in the absence of control light exposure, the entire electric field is concentrated in the depletion region of the np junction, and in the crystal base its value is close to zero. A controlled linearly polarized luminous flux in the form of a narrow beam of light is transmitted along the space charge region (SCR) of the np transition of the structure. As the np transition propagates along the SCR in the controlled light flux, the polarization plane rotates from zero to 90 °, as a result of which, when the polarization axes are parallel oriented between the input and output polarizers, it is completely suppressed at the structure output by the output polarizer. The illumination of the structure with “intrinsic” light with quantum energy hν≥E g , (where hν is the quantum energy, E g is the band gap of the crystal material) from the side of the crystal face containing the np junction leads to the generation of electron-hole pairs due to the internal photoelectric effect and, accordingly, to a change in the initial distribution of the electric field strength in the volume of the structure. For the duration of the exposure to illumination, the electric field is "dumped" from the region of the space charge of the n-p transition to the base region of the crystal, where at the same time it is localized in a narrow near-contact region of the unlit electrode. In turn, this leads to the preservation of the initial plane of polarization in the controlled light flux during its propagation along the OOZ of the n-p junction and for the duration of the control light to be transmitted by the output polarizer in the form of a light pulse.
Таким образом, устройство - прототип обеспечивает оптически амплитудную модуляцию светового потока и формирование импульса управляемого света только прямоугольной формы.Thus, the prototype device provides optical amplitude modulation of the light flux and the formation of a controlled light pulse of only a rectangular shape.
В настоящее время отсутствуют оптические модуляторы оптических сигналов сложной формы, обеспечивающие высокую стабильность спектральных, пространственно-временных и энергетических характеристик оптических импульсов сложной формы.Currently, there are no optical modulators of optical signals of complex shape, providing high stability of the spectral, spatio-temporal and energy characteristics of optical pulses of complex shape.
Изобретение направлено на решение задачи создания оптического модулятора, позволяющего формировать оптический импульс любой сложной формы, осуществлять сложение сигналов сложной формы, а также повысить скорость оптической модуляции.The invention is aimed at solving the problem of creating an optical modulator that allows you to generate an optical pulse of any complex shape, to carry out the addition of signals of complex shape, as well as to increase the speed of optical modulation.
Для решения поставленной задачи в оптическом модуляторе сигналов, содержащем размещенный между двумя поляризаторами активный элемент, представляющий собой электрооптический кристалл, на одной из граней которого расположен слой туннельного диэлектрика с нанесенным на его внешнюю сторону оптически прозрачным металлическим электродом, источник питания, электрически связанный с активным элементом, оптически связанным с источниками управляющего и управляемого света, согласно изобретению активный элемент дополнительно содержит на другой противоположной первой грани электрооптического кристалла второй туннельный диэлектрик, аналогичный первому, с нанесенным на его внешнюю сторону оптически прозрачным вторым металлическим электродом, на который нанесено просветляющее покрытие, и содержит диэлектрическое охранное кольцо, выполненное охватывающим оптически прозрачный второй металлический электрод и просветляющее покрытие, причем электрооптический кристалл выполнен в виде высокоомного слоя n-типа проводимости, а ось излучения источника управляющего света перпендикулярна плоскости просветляющего покрытия, ось излучения источника управляемого света параллельна нормали грани кристалла с ориентацией плоскости (110) активного элемента, при этом второй оптически прозрачный металлический электрод подключен к отрицательному контакту источника питания, плоскости поляризации входного и выходного поляризаторов ориентированы параллельно друг другу, а толщина высокоомного слоя не превышает длину дрейфа основных носителей при насыщении их дрейфовой скорости.To solve this problem, in an optical signal modulator containing an active element located between two polarizers, which is an electro-optical crystal, on one of whose faces is a layer of a tunneling dielectric with an optically transparent metal electrode deposited on its outer side, and a power source electrically connected to the active element optically coupled to control and controlled light sources, according to the invention, the active element further comprises opposite the first facet of the electro-optical crystal, a second tunneling dielectric, similar to the first, with an optically transparent second metal electrode coated with an antireflective coating on its outer side, and contains a dielectric guard ring made around an optically transparent second metal electrode and an antireflective coating, the electro-optical the crystal is made in the form of a high-resistance layer of n-type conductivity, and the axis of radiation of the control light source is perpend it is circular to the plane of the antireflection coating, the axis of radiation of the controlled light source is parallel to the normal of the crystal face with the orientation of the (110) plane of the active element, while the second optically transparent metal electrode is connected to the negative terminal of the power source, the polarization planes of the input and output polarizers are oriented parallel to each other, and the thickness high-resistivity layer does not exceed the length of the drift of the main carriers during saturation of their drift velocity.
Для решения задачи сложения оптических сигналов сложной формы модулятор дополнительно содержит второй расположенный параллельно первому и аналогичный ему источник управляющего света, ось излучения которого также перпендикулярна плоскости просветляющего покрытия.To solve the problem of combining optical signals of complex shape, the modulator additionally contains a second control light source parallel to the first and similar to it, the radiation axis of which is also perpendicular to the plane of the antireflective coating.
Сущность предлагаемого технического решения основана на обнаруженном раннее и исследуемом явлении пространственного перераспределения электрического поля, возникающего под действием освещения в объеме туннельных МДП структур (см. Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol.537-26, pp.239-248. Optical Sciences Ctr./Univ. of Arizona, Tucson, AZ, USA).The essence of the proposed technical solution is based on the discovered earlier and investigated phenomenon of spatial redistribution of the electric field arising under the influence of illumination in the volume of tunnel MIS structures (see Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization 1995, Vol. 537-26, pp. 239-248. Optical Sciences Ctr./Univ. Of Arizona, Tucson, AZ, USA).
Одним из существенных признаков заявляемого устройства является выполнение его активного элемента на основе высокоомного слоя полупроводника n-типа проводимости. Использование в структуре высокоомного полупроводника необходимо потому, что в условиях внешнего приложенного напряжения в таких полупроводниках величина темнового тока пренебрежимо мала (iтем.~10-9-10-8 А), что позволяет обеспечить при воздействии освещения максимальную фоточувствительность. Кроме этого, только в таком полупроводнике протяженность обедненной области L0б, образующейся после приложения внешнего напряжения (в отсутствии освещения), распространяется на всю толщину полупроводника L0б>Lп и тем самым обеспечивается распределение всего приложенного напряжения только на полупроводниковой компоненте структуры V0≈VП, где V0 - величина приложенного напряжения, VП - напряжение, распределяющееся на высокоомной полупроводниковой компоненте структуры.One of the essential features of the claimed device is the implementation of its active element based on a high-resistance layer of an n-type semiconductor. The use of a high-resistance semiconductor in the structure is necessary because, under the conditions of an external applied voltage in such semiconductors, the dark current value is negligible ( that is, ~ 10 -9 -10 -8 A), which ensures maximum photosensitivity when exposed to lighting. In addition, only in such a semiconductor, the length of the depletion region L 0b , formed after external voltage is applied (in the absence of lighting), extends to the entire thickness of the semiconductor L 0b > L p and thereby ensures the distribution of the entire applied voltage only on the semiconductor component of the structure V 0 ≈ V P , where V 0 is the value of the applied voltage, V P is the voltage distributed on the high-resistance semiconductor component of the structure.
Выполнение активного элемента в виде М1ТД1ПТД2М2 структуры, где M1 - первый металлический электрод, ТД1 - первый туннельный диэлектрик, П - полупроводник, ТД2 - второй туннельный диэлектрик, М2 - второй металлический электрод, то есть с симметричными туннельно-тонкими диэлектрическими слоями, выполненными на противоположных гранях высокоомного полупроводника, позволяет обеспечить стационарное однородное распределение электрического поля в объеме фоточувствительной структуры в отсутствии освещения. Наличие таких слоев в структуре приводит к тому, что в условиях внешнего приложенного напряжения на каждой из границ раздела слоев полупроводник - туннельный диэлектрик возникает баланс между двумя потоками носителей: потоком, поступающим к границе раздела из объема полупроводника, который формирует инверсионный слой и потоком, протекающим за счет механизма туннелирования через слой туннельного диэлектрика, который образует ток утечки через диэлектрик, препятствующий образованию этого слоя. Наличие тока утечки через диэлектрик приводит к тому, что в симметричной M1ТД1ПТД2M2 структуре с туннельно-тонкими диэлектрическими слоями и металлическими электродами с ростом приложенного напряжения образование инверсионного слоя в высокоомном полупроводнике не происходит, а его «темновая» проводимость определяется оттоком из объема полупроводника термически генерируемых носителей. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить выполнение одного из необходимых для достижения положительного эффекта условий, а именно: в отсутствии воздействия управляющего света исключить образование на границе раздела инверсионных слоев, наличие которых вызывает не только «темновое провисание поля» (неоднородное распределение поля) в объеме полупроводника, но и появление инерционных переходных процессов, приводящих к осцилляциям поля при включении и выключении внешнего напряжения, и тем самым максимально быстро создавать внутри полупроводниковой компоненты структуры однородное стационарное «темновое» электрическое поле. Кроме того, это также дает возможность исключить из состава структуры один из ее компонентов, обладающих нелинейными свойствами - n-р переход, наличие которого при включении и выключении управляющего света приводит к нелинейному изменению величины электрического поля у освещаемого электрода, и тем самым обеспечить при включении и выключении освещения взаимно однозначное изменение величины поля как в одной из частей структуры (у освещаемого электрода), так и в ее объеме.The implementation of the active element in the form of M 1 TD 1 PTD 2 M 2 structure, where M 1 is the first metal electrode, TD 1 is the first tunneling dielectric, P is a semiconductor, TD 2 is the second tunneling dielectric, M 2 is the second metal electrode, i.e. with symmetrical tunnel-thin dielectric layers made on opposite sides of a high-resistance semiconductor, it is possible to provide a stationary uniform distribution of the electric field in the volume of the photosensitive structure in the absence of illumination. The presence of such layers in the structure leads to the fact that under the conditions of an external applied voltage at each of the semiconductor - tunneling dielectric interfaces, a balance arises between two carrier flows: the stream entering the interface from the semiconductor volume, which forms the inversion layer and the stream flowing due to the mechanism of tunneling through the tunneling dielectric layer, which generates a leakage current through the dielectric, which prevents the formation of this layer. The presence of a leakage current through the dielectric leads to the fact that in the symmetric M 1 TD 1 PDD 2 M 2 structure with tunnel-thin dielectric layers and metal electrodes with the growth of the applied voltage, the formation of an inversion layer in the high-resistance semiconductor does not occur, and its “dark” conductivity is determined the outflow of thermally generated carriers from the semiconductor volume. This, in turn, allows one of the conditions necessary to achieve a positive effect to be satisfied, namely: in the absence of control light, to eliminate the formation of inversion layers at the interface, the presence of which causes not only “dark field sag” (inhomogeneous field distribution) in the volume of the semiconductor, but also the appearance of inertial transient processes leading to field oscillations when the external voltage is turned on and off, and thereby create as quickly as possible inside the semi the conductor component of the structure is a homogeneous stationary "dark" electric field. In addition, this also makes it possible to exclude from the structure of the structure one of its components with nonlinear properties - the np junction, the presence of which upon switching on and off the control light leads to a nonlinear change in the electric field of the illuminated electrode, and thereby ensure that when turned on and turning off the lighting, a one-to-one change in the magnitude of the field both in one of the parts of the structure (at the illuminated electrode) and in its volume.
Вместе с тем, для достижения поставленной задачи данного изобретения недостаточно только обеспечить в структуре «темновое» стационарное электрическое поле, однородно распределенное в объеме ее высокоомной компоненты. Для переноса оптической модуляции с одного светового потока (или нескольких сразу) на другой с коэффициентом переноса модуляции 1:1 необходимо обеспечить в структуре также выполнение одновременно ряда условий, в частности:However, to achieve the objectives of this invention, it is not enough just to provide in the structure a “dark” stationary electric field uniformly distributed in the volume of its high-resistance component. To transfer optical modulation from one light stream (or several at once) to another with a modulation transfer coefficient of 1: 1, it is necessary to ensure that the structure also fulfills a number of conditions simultaneously, in particular:
- изменение напряженности электрического поля в одной из частей структуры должно происходить от однородно распределенного в темноте до резко неоднородного при освещении, причем после прекращения освещения восстановление исходного распределения поля должно происходить самопроизвольно;- a change in the electric field in one of the parts of the structure should occur from uniformly distributed in the dark to sharply inhomogeneous when illuminated, and after the cessation of lighting, the restoration of the initial field distribution should occur spontaneously;
- изменение величины напряженности электрического поля в одной из частей структуры должно взаимно однозначно определяться только интенсивностью воздействующего освещения;- a change in the magnitude of the electric field in one of the parts of the structure should be determined uniquely only by the intensity of the illumination;
- изменения поля при включении и выключении управляющего освещения должны происходить за минимально короткое время.- field changes when turning on and off the control lighting should occur in a minimum short time.
Как показали экспериментальные исследования, обеспечить выполнение перечисленных выше условий возможно только при выполнении активного элемента модулятора в виде однородной симметричной туннельной M1ТД1ПТД2M2 на основе высокоомного полупроводника, причем положительный эффект будет достигаться только в том случае, если напряженность внутреннего электрического поля в объеме высокоомного полупроводника Е0≥Енас. будет равна или превышать величину поля, при которой происходит насыщение дрейфовой скорости основных носителей. Выполнение этого условия необходимо по нескольким причинам. Первая из них связана с тем, что в отличие от неоднородных структур, содержащих в объеме n-p (n-i-p) переход, в однородной M1ТД1ПТД2M2 структуре, создаваемой на основе высокоомного полупроводника, освещение ее управляющим светом с энергией квантов hν≥Eg, (где hν - энергия кванта. Eg - ширина запрещенной зоны материала кристалла) приводит в ней, не только к биполярной генерации фотоносителей, их разделению и частичной рекомбинации в тонком приповерхностном слое, но и к возникновению дрейфа амбиполярного объемного заряда, который под действием поля затягивается из приконтактной области освещаемого электрода в объем высокоомного полупроводника. При этом наличие подвижного биполярного объемного заряда в окрестности освещаемого электрода (ширина которой определяется амбиполярной длиной дрейфа), также как встроенный заряд в ООЗ n-p перехода, вызывает появление нелинейной составляющей в распределении поля, наличие которой приводит к искажению формы сигнала управляемого света при переносе оптической модуляции. Поскольку нелинейная составляющая в распределении поля связана с амбиполярным дрейфом объемного заряда, то для того, чтобы при воздействии освещения обеспечить взаимно однозначное изменение поля от интенсивности воздействующего освещения, необходимо в структуре исключить процессы, которые приводят к его возникновению. Т.к. длина амбиполярного дрейфа зависит от величины внутреннего поля и с его ростом уменьшается, то, как было установлено экспериментально, подавление процессов, приводящих к его возникновению, происходит лишь при величине напряженности внутреннего поля, равной либо превышающей значение поля, при котором происходит насыщение дрейфовой скорости основных носителей. При таких полях амбиполярный объемный заряд у освещаемого электрода практически не успевает образоваться, поскольку в этом случае дрейфовые механизмы переноса заряда полностью преобладают над диффузионно-дрейфовыми, лежащими в основе его образования. Вследствие этого, после генерации электронно-дырочных пар происходит их полное разделение и один тип носителей сразу покидает структуру через освещаемый электрод, а другой - переносится через область длинной базы только за счет дрейфового механизма переноса заряда. Другая причина, связанная с необходимостью выполнения условия E0≥Енас, обусловлена тем, что в этих условиях время переноса заряда через область длинной базы становится существенно меньше, чем время переноса заряда в структурах с n-р переходом, где время переноса определяется более медленными диффузионными процессами, что соответственно дает возможность снизить время переноса заряда через область высокоомной базы и, тем самым, увеличить, по сравнению с прототипом скорость оптической модуляции. Однако добиться увеличения скорости оптической модуляции можно лишь при толщине высокоомного слоя, который не будет превышать длину дрейфа основных носителей при насыщении их дрейфовой скорости. Это связано с тем, что длина дрейфа неравновесных фотоносителей LE в n-CdTe в условиях насыщения дрейфовой скорости достигает своего максимума и становится практически постоянной (при времени жизни основных носителей τn~10-6, подвижности основных носителей μn(E(x,t))~700-900 с2/В·с и напряженности внутреннего поля Енас~3-3,5 кВ/с, LE~2,5-3,5 мм). Превышение этого значения приводит к росту мощности оптического импульса управляющего света, т.к. в этом случае для переноса единичного заряда необходимо затрачивать больше, чем один квант управляющего света из-за того, что носитель тока «погибает» в процессе его переноса от точки генерации у освещаемого электрода к неосвещаемому и тем самым не дает свой вклад в создание неравновесного пространственного заряда, приводящего к переключению поля.As experimental studies have shown, it is possible to ensure the fulfillment of the above conditions only if the active element of the modulator is satisfied in the form of a uniform symmetric tunneling M 1 TD 1 PDD 2 M 2 based on a high-resistance semiconductor, and a positive effect will be achieved only if the internal electric field in the volume of the high-resistance semiconductor E 0 ≥E us. will be equal to or exceed the magnitude of the field at which the drift velocity of the main carriers is saturated. This condition is necessary for several reasons. The first of them is related to the fact that, in contrast to heterogeneous structures containing an np (nip) junction, in a homogeneous M 1 TD 1 PDD 2 M 2 structure created on the basis of a high-resistance semiconductor, its illumination is controlled by a light with a quantum energy hν≥ E g , (where hν is the quantum energy. E g is the band gap of the crystal material) leads not only to bipolar generation of photocarriers, their separation and partial recombination in a thin surface layer, but also to the occurrence of an ambipolar space charge drift, which under the influence of the field drawn from the contact area of the illuminated electrode into the volume of the high-resistance semiconductor. In this case, the presence of a moving bipolar space charge in the vicinity of the illuminated electrode (the width of which is determined by the ambipolar drift length), as well as the built-in charge in the SCR of the np junction, causes the appearance of a nonlinear component in the field distribution, the presence of which leads to distortion of the shape of the controlled light signal during optical modulation transfer . Since the nonlinear component in the field distribution is associated with the ambipolar drift of the space charge, in order to ensure a one-to-one change in the field from the intensity of the acting illumination when exposed to lighting, it is necessary to exclude the processes in the structure that lead to its occurrence. Because the length of the ambipolar drift depends on the magnitude of the internal field and decreases with its growth, then, as was established experimentally, the suppression of the processes leading to its occurrence occurs only when the magnitude of the internal field is equal to or greater than the value of the field at which the drift velocity of the main carriers. In such fields, the ambipolar space charge near the illuminated electrode almost does not have time to form, since in this case the drift mechanisms of charge transfer completely prevail over the diffusion-drift ones that underlie its formation. As a result of this, after the generation of electron-hole pairs, they completely separate and one type of carrier immediately leaves the structure through the illuminated electrode, and the other is transferred through the region of the long base only due to the drift charge transfer mechanism. Another reason associated with the need to satisfy the condition E 0 ≥Е us is due to the fact that under these conditions the charge transfer time through the long base region becomes significantly shorter than the charge transfer time in structures with the n-junction, where the transfer time is determined by slower diffusion processes, which accordingly makes it possible to reduce the time of charge transfer through the region of the high-resistance base and, thereby, increase the speed of optical modulation compared to the prototype. However, an increase in the speed of optical modulation can be achieved only with a high-resistance layer thickness that will not exceed the drift length of the main carriers when their drift velocity is saturated. This is due to the fact that the drift length of nonequilibrium photocarriers L E in n-CdTe under conditions of saturation of the drift velocity reaches its maximum and becomes almost constant (for the lifetime of the main carriers τ n ~ 10 -6 , the mobility of the main carriers μ n (E (x , t)) ~ 700-900 s 2 / V · s and the internal field strength E us ~ 3-3.5 kV / s, L E ~ 2.5-3.5 mm). Exceeding this value leads to an increase in the power of the optical pulse of the control light, because in this case, to transfer a single charge, it is necessary to spend more than one quantum of control light due to the fact that the current carrier “dies” in the process of its transfer from the generation point of the illuminated electrode to the non-illuminated one and thereby does not contribute to the creation of a nonequilibrium spatial charge leading to field switching.
Помимо этого выполнение этого условия позволяет практически полностью исключить протекание в объеме высокоомной компоненты обменных процессов, которые вызывают образование долговременного поляризационного заряда, т.к. в этом случае время пролета фотоносителей становится настолько малым, что сравнительно медленные процессы обмена, связанные с захватом носителей на примесные уровни и их последующим выбросом в зону проводимости, не успевают происходить.In addition, the fulfillment of this condition makes it possible to almost completely eliminate the occurrence in the volume of the high-resistance component of metabolic processes that cause the formation of a long-term polarization charge, since in this case, the transit time of the photocarriers becomes so small that the relatively slow exchange processes associated with the capture of carriers at impurity levels and their subsequent release into the conduction band do not have time to occur.
В совокупности это приводит к тому, что вплоть до пробойных напряжений перестройка электрического поля в объеме высокоомной компоненты происходит только за счет заряда свободных носителей, что, как следствие, ведет к линейной зависимости между величиной электрического поля и интенсивностью воздействующего освещения и соответственно дает возможность осуществлять перенос оптической модуляции с одного светового потока (или нескольких сразу) на другой с коэффициентом переноса 1:1.Together, this leads to the fact that, up to breakdown voltages, the restructuring of the electric field in the volume of the high-resistance component occurs only due to the charge of free carriers, which, as a result, leads to a linear relationship between the magnitude of the electric field and the intensity of the illumination and, accordingly, makes it possible to carry optical modulation from one light stream (or several at once) to another with a transfer coefficient of 1: 1.
Помимо этого, для того, чтобы перераспределение поля в структуре происходило бы только за счет воздействующего освещения, необходимо исключить еще электрическую инжекцию носителей в объем полупроводника. Как показывают экспериментальные исследования, полностью исключить электрическую инжекцию с металлических контактов в объем туннельной M1ТД1ПТД2M2 структуры невозможно. Однако использование для создания металлических электродов ряда металлов (Au и Pt), которые обеспечивают в n-CdTe максимально высокое соотношение работ выхода металл-полупроводник, позволяет получить минимальную величину надбарьерной эмиссии электронов и, тем самым, даже при высоких приложенных напряжениях любой полярности, обеспечить пренебрежимо малую электрическую инжекцию носителей через туннельный контакт, заряд которой не оказывает заметного влияния на характер протекания в таких структурах процессов. При этом важна также и полярность напряжения, прикладываемого к освещаемому электроду, которая должна быть противоположна полярности основных носителей полупроводника. Полярность прикладываемого напряжения важна потому, что она определяет тип носителей, за счет переноса которых происходит перестройка электрического поля. Т.к. n-CdTe подвижность электронов μn превышает подвижность дырок μp в 8-10 раз, то соответственно при указанной полярности приложенного напряжения это позволяет достигать, по сравнению с прототипом, более высокой скорости оптической модуляции.In addition, in order to redistribute the field in the structure only due to the influence of illumination, it is necessary to exclude the electrical injection of carriers into the bulk of the semiconductor. As experimental studies show, it is impossible to completely exclude the electric injection from metal contacts into the volume of the tunnel M 1 TD 1 PTD 2 M 2 structure. However, the use of a number of metals (Au and Pt) to create metal electrodes, which ensure the highest metal-semiconductor work function ratio in n-CdTe, allows one to obtain the minimum value of the over-barrier electron emission and, thus, even at high applied voltages of any polarity, to ensure A negligible electrical injection of carriers through a tunnel junction, the charge of which does not significantly affect the nature of the processes in such structures, is negligible. In this case, the polarity of the voltage applied to the illuminated electrode, which should be opposite to the polarity of the main carriers of the semiconductor, is also important. The polarity of the applied voltage is important because it determines the type of carriers, due to the transfer of which there is a restructuring of the electric field. Because Since n-CdTe electron mobility μ n exceeds the mobility of holes μ p by 8-10 times, respectively, with the indicated polarity of the applied voltage, this allows, in comparison with the prototype, a higher speed of optical modulation.
Также существенным признаком является наличие просветляющего покрытия, нанесенного на металлический оптически прозрачный электрод освещаемой поверхности M1ТД1ПТД2M2 структуры. Данное покрытие позволяет достичь максимального преобразования управляющего освещения в фототок и, тем самым, осуществить переключение поля управляющим светом малой интенсивности. В качестве такого покрытия может быть использована пленка нитрида кремния, толщина которой составляет четверть длины волны падающего излучения.An essential feature is the presence of an antireflective coating deposited on a metal optically transparent electrode of the illuminated surface M 1 TD 1 PTD 2 M 2 structure. This coating allows you to achieve maximum conversion of control lighting into a photocurrent and, thereby, to switch the field control light of low intensity. As such a coating, a silicon nitride film can be used, the thickness of which is a quarter of the wavelength of the incident radiation.
Наконец, существенным признаком заявляемого устройства является выполнение охранного диэлектрического кольца шириной 150 мкм, выполненного по периметру освещаемой поверхности активного элемента охватывающим оптически прозрачный металлический электрод и просветляющее покрытие. Необходимость его выполнения связана с тем, что даже после финишного травления все грани монокристалла n-CdTe(In), независимо от их кристаллографической ориентации, содержат большую плотность поверхностных состояний Ns. В условиях высокого приложенного напряжения и воздействия управляющим светом, из-за большого коэффициента поглощения α≥104 см-1, на освещаемой грани структуры появляются значительные поверхностные токи утечки, которые могут вызвать пробой структуры по поверхности любой из четырех ее граней. Соответственно выполнение диэлектрического охранного кольца на поверхности указанной грани по периметру дает возможность реализовать «электрическую развязку» между гранями активного элемента, содержащими оптически прозрачные электроды, и, тем самым, исключить возможность электрического пробоя структуры.Finally, an essential feature of the claimed device is the implementation of a protective dielectric ring with a width of 150 μm, made along the perimeter of the illuminated surface of the active element covering an optically transparent metal electrode and an antireflective coating. The necessity of its implementation is due to the fact that even after finish etching, all faces of the n-CdTe (In) single crystal, regardless of their crystallographic orientation, contain a high density of surface states N s . Under conditions of high applied voltage and exposure to control light, due to the large absorption coefficient α≥10 4 cm -1 , significant surface leakage currents appear on the illuminated face of the structure, which can cause breakdown of the structure on the surface of any of its four faces. Accordingly, the implementation of a dielectric guard ring on the surface of the specified face along the perimeter makes it possible to realize "electrical isolation" between the faces of the active element containing optically transparent electrodes, and thereby eliminate the possibility of electrical breakdown of the structure.
Для реализации операций оптического сложения и умножения оптических сигналов сложной формы с переносом результатов выполнения этих операций на другую оптическую несущую, оптический модулятор содержит дополнительный источник управляющих оптических импульсов, спектральные и мощностные характеристики которого аналогичны первому источнику управляющего света. При этом оба источника управляющего света должны иметь возможность формировать управляющие импульсы как независимо друг от друга, так и совместно, и при этом каждый из них мог бы формировать сигналы, относящиеся не только к «классическим» формам (гармонический, пилообразный, треугольный, прямоугольный), но и любой другой формы.To implement the operations of optical addition and multiplication of complex optical signals with transferring the results of these operations to another optical carrier, the optical modulator contains an additional source of control optical pulses, the spectral and power characteristics of which are similar to the first source of control light. At the same time, both control light sources should be able to generate control pulses both independently of each other and together, and each of them could form signals related not only to “classical” forms (harmonic, sawtooth, triangular, rectangular) , but also any other form.
Таким образом, все перечисленные в формуле изобретения признаки являются необходимыми, а их совокупность достаточной для достижения поставленной задачи, т.е. являются существенными.Thus, all the features listed in the claims are necessary, and their combination is sufficient to achieve the task, i.e. are significant.
На момент подачи заявки авторам неизвестен оптический модулятор, в котором для формирования сигналов сложной формы на другом оптическом сигнале за счет переноса оптической модуляции использовалось бы устройство с заявляемой совокупностью существенных признаков.At the time of filing the application, the authors did not know the optical modulator, in which a device with the claimed combination of essential features would be used to generate signals of complex shape on another optical signal by transferring optical modulation.
Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом решении критерия «изобретательский уровень».The foregoing allows us to conclude that there is a criterion of "inventive step" in the claimed solution.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема заявляемого оптического модулятора, на фиг.2 - отдельно активный элемент модулятора, на фиг.3 - схема оптического модулятора, реализующего модуляцию сигналов различной формы (синусоидальной, пилообразной, треугольной и прямоугольной), на фиг.4 - схема оптического модулятора оптических сигналов сложной формы, реализующего операции оптического сложения, на фиг.5 - представлена фотография оптического импульса управляемого света синусоидальной формы на выходе модулятора, на фиг.6 - аналогично фиг.5, но импульса пилообразной формы, на фиг.7 - аналогично фиг.5, но импульса треугольной формы, на фиг.8 - аналогично фиг.5, но импульса прямоугольной формы, на остальных иллюстрациях (фиг.9-12) представлены фотографии сигналов сложной формы на выходе оптического модулятора, полученные при реализации им операции оптического сложения, а именно: на фиг.9 - фотография оптического импульса, сформированного при сложении импульсов гармонической и пилообразной форм, на фиг.10 - фотография оптического импульса, сформированного при сложении импульсов треугольной и прямоугольной форм, на фиг.11 - фотография оптического импульса, сформированного при сложении импульсов пилообразной и прямоугольной форм, на фиг.12 - фотография оптического импульса, сформированного при сложении импульсов синусоидальной и треугольной форм. При этом на всех фотографиях указана шкала деления временной развертки осциллографа (мкс/см), при которой происходила регистрация импульса.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a general diagram of the inventive optical modulator, Fig. 2 shows a separately active element of a modulator, Fig. 3 shows a diagram of an optical modulator that implements modulation of signals of various shapes (sinusoidal, sawtooth, triangular and rectangular) , Fig.4 is a diagram of an optical modulator of optical signals of complex shape that implements the operation of optical addition, Fig.5 is a photograph of an optical pulse of controlled light of a sinusoidal shape at the output of the mode 6, similar to Fig. 5, but a sawtooth pulse, in Fig. 7 - similarly to Fig. 5, but a triangular pulse, in Fig. 8 - similarly to Fig. 5, but a rectangular pulse, in other illustrations (Figs. 9-12) are photographs of signals of complex shape at the output of the optical modulator obtained by the implementation of the operation of optical addition, namely: Fig. 9 is a photograph of the optical pulse generated by combining pulses of harmonic and sawtooth shapes, in Fig. 10 - photo of the optical pulse, formed go when adding pulses of triangular and rectangular shapes, in Fig.11 is a photograph of an optical pulse generated by adding pulses of sawtooth and rectangular shapes, Fig.12 is a photograph of an optical pulse generated by adding pulses of sinusoidal and triangular shapes. Moreover, all photographs indicate the scale of division of the time base of the oscilloscope (μs / cm) at which the pulse was recorded.
На фиг.1:In figure 1:
1 - активный элемент в виде M1ТД1ПТД2M2 структуры1 - active element in the form of M 1 TD 1 PDD 2 M 2 structure
2 - входной поляризатор2 - input polarizer
3 - выходной поляризатор3 - output polarizer
4 - источник управляющего света4 - control light source
5 - источник управляемого света5 - controlled light source
6 - источник питания6 - power supply
Активный элемент 1 (см. фиг.2) состоит из высокоомного слоя кристалла n-типа проводимости 7, двух туннельных диэлектриков 8 и 9, аналогичных друг другу и расположенных на противоположных гранях слоя 7, двух оптически прозрачных металлических электродов 10 и 11, каждый из которых нанесен на внешнюю сторону туннельных диэлектриков 8 и 9, просветляющего покрытия 12, нанесенного на оптически прозрачный металлический электрод 11, охранного кольца 13, выполненного охватывающим оптически прозрачный металлический электрод 11 и просветляющее покрытие 12. Электрод 11 активного элемента 1 соединен с отрицательным контактом источника питания 6.The active element 1 (see Fig. 2) consists of a high-resistance layer of an n-type crystal of
Ось излучения 14 источника управляющего света 4 перпендикулярна плоскости просветляющего покрытия 12, а ось излучения 15 источника управляемого света 5 параллельна нормали грани кристалла с ориентацией плоскости (110) активного элемента.The axis of
Вектор поляризации 16 (см. фиг.1) входного поляризатора 2 ориентирован под углом 45° относительно осей наведенного двулучепреломления электрооптического кристалла, а вектор поляризации 17 выходного поляризатора 3 ориентирован параллельно вектору поляризации 16 входного поляризатора 2. На фиг.1 - позиция 18 - ось излучения выходного модулированного сигнала.The polarization vector 16 (see Fig. 1) of the
Оптический модулятор сигналов сложной формы работает следующим образом.An optical modulator of complex waveforms operates as follows.
Управляемый непрерывный световой поток 19, поступающий от источника управляемого света 5, пропускается через входной поляризатор 2. При этом плоскости поляризации входного поляризатора 2 и выходного поляризатора 3, закрепленные в корпусе устройства совместно с входной 20 и выходной оптической системами 21 (см. фиг.3), выставляются параллельно друг другу. Пучок неполяризованного света преобразуется в линейно-поляризованный, а затем формируется оптической системой 20 в виде узкого пучка света и пропускается через область высокоомного слоя 7 активного элемента 1 и выходную 21 оптические систему. При этом входная оптическая система 20 и выходная система 21 расположены таким образом, что их главные оптические оси совпадали и проходили через центр линз их составляющих. При этом пучок управляемого света 19, формируемого оптической системой 20, направляется на входную оптическую систему таким образом, чтобы ось излучения 15 совпадала с главной оптической осью входной оптической системы 20 и была параллельна грани кристалла с ориентацией плоскости (110) активного элемента в области слоя 7, прилегающего к слою туннельного диэлектрика 9.A controlled continuous
К оптически прозрачным электродам структуры 10 и 11 через металлические выводы прикладывается постоянное напряжение от источника питания 6 такой полярности, при которой перестройка электрического поля в объеме полупроводниковой компоненты структуры при освещении происходила бы за счет переноса и накопления основных носителей, т.е. к электроду 11 (освещаемому электроду) прикладывается напряжение отрицательной полярности. Это приводит к возникновению однородного темнового электрического поля в объеме высокоомного слоя 7, причем исходно величина его выбирается такой, чтобы при распространении управляемого светового потока 19 через высокоомный слой в нем происходил поворот плоскости поляризации управляемого света на угол φ=90°. В результате, управляемый световой поток полностью гасится на выходе активного элемента 1 выходным поляризатором 3. Освещение структуры любым из импульсов управляющего света от источника 4 приводит к генерации электронно-дырочных пар в узкой приконтактной области высокоомного слоя 7 активного элемента 1 и их разделению. При этом один тип носителей (дырки) покидает структуру через электрод 11 (отрицательный электрод), а другой тип носителей (электроны) переносится под действием сильного поля через область длинной базы высокоомного слоя 7, где частично накапливается на границе раздела полупроводник - туннельно-тонкий диэлектрический слой 8 у электрода 10, противоположного освещаемому электроду 11. В результате, на время действия освещения напряженность электрического поля уменьшается у освещаемого электрода 11 и соответственно возрастает у неосвещаемого - 10. Т.к. величина деформации поля у освещаемого электрода 11 взаимно однозначно определяется амплитудой и пространственно-временными характеристиками импульса от источника управляющего света 4 (или двух, трех и т.д. импульсов), то соответственно в высокоомном электрооптическом слое 7 это приводит к взаимно однозначной зависимости между величиной угла поворота плоскости поляризации в управляемом световом потоке 19 при его распространении вдоль активного элемента и пространственно-временными и энергетическими характеристиками импульса управляющего света, т.е. к модуляции состояния поляризации, которая на выходе из структуры преобразуется выходным поляризатором 3 в амплитудную. В свою очередь, такое преобразование приводит к тому, что управляемый световой поток 19 в виде импульса света соответствующей формы выводится из устройства.A constant voltage from a
Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.
Симметричная туннельная M1ТД1ПТД2M2 структура, используемая в качестве активного элемента оптического модулятора сигналов сложной формы, была изготовлена на основе совершенного электрооптического монокристалла n-CdTe(In) с удельным сопротивлением ρ~8×108 Ом/см. Монокристалл представлял собой прямоугольный параллелепипед с линейными размерами: l×h×d=8×4×1,5 мм, где l - длина, h - высота, d - толщина. Монокристалл n-CdTe(In) вырезался из объемной були теллурида кадмия таким образом, чтобы нормаль к большей поверхности грани l×h совпадала с осью кристалла [110]. После резки все грани монокристалла обрабатывались в вакуумной камере стандартными технологическими методами (шлифовка, полировка), после чего образец протравливался в полирующем травителе: 10 мл HNO3 + 20 мл Н2О + 4 г К2Cr2O7 в течение 1 мин при температуре 25°С в условиях мощной засветки белым светом.The symmetric tunneling M 1 TD 1 PTD 2 M 2 structure used as the active element of an optical signal modulator of complex shape was made on the basis of a perfect n-CdTe (In) electro-optical single crystal with a resistivity of ρ ~ 8 × 10 8 Ohm / cm. The single crystal was a rectangular parallelepiped with linear dimensions: l × h × d = 8 × 4 × 1.5 mm, where l is the length, h is the height, d is the thickness. An n-CdTe (In) single crystal was cut out from a bulky cadmium telluride bullet so that the normal to the larger surface of the l × h face coincided with the axis of the crystal [110]. After cutting, all faces of the single crystal were processed in a vacuum chamber by standard technological methods (grinding, polishing), after which the sample was etched in a polishing etchant: 10 ml of HNO 3 + 20 ml of H 2 O + 4 g of K 2 Cr 2 O 7 for 1 min at at a temperature of 25 ° C under conditions of powerful exposure to white light.
Сразу, после стадии обработки, туннельно-тонкие слои диэлектрика толщиной d~20-30 Å на двух противоположных гранях монокристалла l×h ([110] и 
Испытание оптического модулятора сигналов сложной формы проводилось на стенде, представляющем собой комплекс радиоизмерительной и электронной аппаратуры и шести координатной системы подвижек, предназначенной для точной юстировки излучения управляемого и управляющего света и активного элемента между собой. В качестве источника управляющих оптических импульсов сложной формы и источника, формирующего дополнительные импульсы управляющего света сложной формы, использовались два одинаковых оптоэлектронных модуля, изготовленные авторами. Конструктивно каждый из оптоэлектронных модулей представлял собой функционально законченный блок, включающий полупроводниковый лазер типа ML6012R с длиной волны λ=0,78 мкм, оптическое излучение которого выводилось через стандартный одномодовый световод с волоконно-оптическим разъемом и электронную схему питания полупроводникового лазера. Кроме того, в состав оптоэлектронного модуля входил генератор электрических сигналов сложной формы типа АКТАКОМ АНР-1003, с помощью которого через электронную схему питания мог произвольно задаваться вид управляющего оптического импульса и изменяться в широких пределах его частота, амплитуда и длительность. В качестве источника управляемого света использовался аналогичного вида оптоэлектронный модуль, в котором в качестве источника управляемого света использовался полупроводниковый лазер марки D2570 (Japan) с длиной волны λ=1,55 мкм, мощность непрерывного излучения которого регулировалась электронной схемой питания с помощью тока накачки в диапазоне 1-100 мВт.The test of an optical signal modulator of complex shape was carried out on a stand, which is a complex of radio measuring and electronic equipment and a six coordinate system of shifts designed to accurately align the radiation of controlled and control light and the active element between them. Two identical optoelectronic modules made by the authors were used as a source of control optical pulses of a complex shape and a source forming additional pulses of control light of a complex shape. Structurally, each of the optoelectronic modules was a functionally complete unit, including a ML6012R semiconductor laser with a wavelength of λ = 0.78 μm, the optical radiation of which was output through a standard single-mode fiber optic fiber optic connector and an electronic power supply circuit of the semiconductor laser. In addition, the optoelectronic module included an AKTAKOM ANR-1003 type electric signal generator of complex shape, with the help of which the form of a control optical pulse could be arbitrarily set via an electronic power circuit and its frequency, amplitude and duration varied over a wide range. A similar type of optoelectronic module was used as a controlled light source, in which a D2570 (Japan) semiconductor laser with a wavelength of λ = 1.55 μm was used as a controlled light source, the continuous radiation power of which was regulated by an electronic power circuit using a pump current in the range 1-100 mW.
Для регистрации характеристик оптических импульсов сложной формы на выходе оптического модулятора использовался германиевый лавинный фотодиод типа НФО 423 ГВ и четырехканальный осциллограф С1-122.To record the characteristics of complex optical pulses at the output of the optical modulator, a germanium avalanche photodiode of the NFO 423 GV type and a four-channel oscilloscope C1-122 were used.
Активный элемент оптического модулятора помещался в специальный столик, закрепленный на микроподвижках, и размещался между двумя вращающимися поляризаторами и входной и выходной оптической системами, жестко закрепленными в корпусе устройства. После этого столик юстировался таким образом, чтобы формируемый входной оптической системой квазипараллельный пучок управляемого света с диаметром перетяжки ω0~10 мкм при его распространении через структуру был параллелен нормали грани с ориентацией плоскости 
При первом режиме (см. фиг.3) исследовались основные (шумовые, модуляционные, динамические) характеристики оптических импульсов управляемого света на выходе оптического модулятора и их зависимость от величины приложенного напряжения. Для этого от источника управляющих оптических импульсов сложной формы 4 (оптоэлектронного модуля) на активный элемент 1 последовательно подавались оптические импульсы управляющего света различной формы (на фиг.3: синусоидальной 22, пилообразной 23, треугольной 24, прямоугольной 25), имеющие различную частоту следования, амплитуду и длительность. Второй источник управляющих оптических импульсов 26, формирующий дополнительные импульсы управляющего света сложной формы, в данном режиме работы не использовался. Оптические импульсы управляемого света сложной формы, регистрируемые фотоприемным устройством 27 на выходе макета, подавались на один из входов осциллографа С1-122, а на другой вход подавались электрические импульсы, снимаемые со второго выхода генератора электрических сигналов сложной формы оптоэлектронного модуля.In the first mode (see Fig. 3), the main (noise, modulation, dynamic) characteristics of the optical pulses of controlled light at the output of the optical modulator and their dependence on the magnitude of the applied voltage were investigated. To do this, from the source of the control optical pulses of complex shape 4 (optoelectronic module) to the
Испытания данного режима работы оптического модулятора показали, что оптический модулятор обеспечивает при оптической модуляции светового потока формирование оптических сигналов сложной формы (гармонического, пилообразного, треугольного, прямоугольного) с коэффициентом переноса модуляции 1:1 (см. фиг.5-8).Tests of this mode of operation of the optical modulator showed that the optical modulator provides the optical modulation of the light flux to generate optical signals of complex shape (harmonic, sawtooth, triangular, rectangular) with a transfer coefficient of modulation 1: 1 (see Fig. 5-8).
При этом при величине напряжения, приложенного к активному элементу V0 попер=Vπ, где Vπ - полуволновое напряжение, в рабочем интервале частот как при формировании одиночного оптического сигнала любой сложной формы, так и при их последовательном формировании, каких-либо искажений формы сигналов сложной формы не происходило, т.е. его оптическая передаточная модуляционная характеристика сохранялась линейной. Быстродействие модулятора и глубина модуляции оценивались по характеристике прямоугольного импульса света при формировании модулятором меандра. При скважности 1:1 длительность переднего фронта прямоугольного импульса (по уровню 0,9) составила tпре.фр.~10-15 нс и длительность заднего фронта tзад.фр.~15-20 нс (по уровню 0,9), а полная глубина модуляции управляемого оптического сигнала η~96-98% достигалась при мощности управляющего оптического импульса P≥8 мВт.In this case, when the voltage applied to the active element V 0 cross = V π , where V π is the half-wave voltage, in the working frequency range both during the formation of a single optical signal of any complex shape, and during their sequential formation, any shape distortion complex waveforms did not occur, i.e. its optical transfer modulation characteristic remained linear. The speed of the modulator and the depth of modulation were estimated by the characteristic of a rectangular pulse of light during the formation of the meander by the modulator. With a duty ratio of 1: 1, the duration of the leading edge of a rectangular pulse (at the level of 0.9) was t pref. ~ 10-15 ns and the duration of the trailing edge t backfr. ~ 15-20 ns (at the level of 0.9), and the total modulation depth of the controlled optical signal η ~ 96-98% was achieved at a control optical pulse power of P≥8 mW.
При другом режиме работы, связанном с реализацией операции оптического сложения двух оптических сигналов сложной формы, дискретные или следующие последовательно импульсы управляемого света сложной формы, подаваемые в произвольном порядке на активный элемент модулятора, формировались независимо каждым из оптоэлектронных модулей 4 и 26 (см. фиг.4). В этом случае, генераторы электрических импульсов оптоэлектронных модулей управляющего света были синхронизированы между собой, а регистрация оптических импульсов на выходе модулятора (формы и их основных характеристик) происходила аналогичным образом. Сравнительный анализ характеристик оптических импульсов, получаемых в результате реализации операции оптического сложения, с их электронными аналогами показал, что в этом режиме работы оптическая передаточная модуляционная характеристика также сохраняется линейной. При этом соотношение между амплитудами сигналов в результирующем сигнале сложной формы линейно зависит от соотношений между оптическими мощностями управляющих оптических импульсов, подаваемых на вход модулятора и соответственно может регулироваться (см. фиг.9-12).In another mode of operation associated with the implementation of the operation of optical addition of two optical signals of complex shape, discrete or next sequentially pulses of controlled light of complex shape, supplied in random order to the active element of the modulator, were formed independently by each of the optoelectronic modules 4 and 26 (see Fig. four). In this case, the generators of electrical pulses of the optoelectronic control light modules were synchronized with each other, and the registration of optical pulses at the output of the modulator (shape and their main characteristics) occurred in a similar way. A comparative analysis of the characteristics of optical pulses obtained as a result of the operation of optical addition with their electronic counterparts showed that in this operating mode the optical transfer modulation characteristic also remains linear. Moreover, the ratio between the amplitudes of the signals in the resulting signal of complex shape linearly depends on the relations between the optical powers of the control optical pulses supplied to the input of the modulator and, accordingly, can be adjusted (see Figs. 9-12).
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство впервые обеспечивает при оптической модуляции формирование оптических сигналов сложной формы (гармонического, пилообразного, треугольного, прямоугольного и т.д.) с коэффициентом переноса модуляции 1:1, а также повышение скорости оптической модуляции на один-два порядка. Кроме того, заявляемое техническое решение позволяет также реализовать за один временной такт операцию оптического сложения оптических сигналов любой сложной формы. Это стало возможным благодаря тому, что в активном элементе созданы условия, при которых в условиях постоянно приложенного напряжения изменение величины напряженности электрического поля в одной из частей структуры происходит взаимно однозначно с изменением интенсивности воздействующего освещения.Thus, compared with the prototype, the claimed device for the first time provides for optical modulation the formation of optical signals of complex shape (harmonic, sawtooth, triangular, rectangular, etc.) with a transfer coefficient of modulation of 1: 1, as well as an increase in the speed of optical modulation by one -Two orders. In addition, the claimed technical solution also allows you to implement in one time step the operation of optical addition of optical signals of any complex shape. This became possible due to the fact that conditions were created in the active element under which, under conditions of constantly applied voltage, a change in the magnitude of the electric field in one of the parts of the structure occurs in a one-to-one relationship with a change in the intensity of the illumination.
Следует отметить, что аналогичная по конструкции туннельная M1ТД1ПТД2M2 структура может быть изготовлена на основе других высокоомных полупроводников, например CdZnTe, GaAs, InP и т.д., в которых для создания активного элемента может быть выбрана также другая взаимная ориентация кристаллографических осей. Основанием для такого утверждения является общность их физических и электрооптических свойств, а также таких параметров как ширина запрещенной зоны Eg, подвижности носителей заряда - μ, времени жизни - τ и других.It should be noted that the tunnel structure M 1 TD 1 PTD 2 M 2 , similar in design, can be made on the basis of other high-resistance semiconductors, for example, CdZnTe, GaAs, InP, etc., in which another mutual element can also be selected orientation of crystallographic axes. The basis for such a statement is the commonality of their physical and electro-optical properties, as well as such parameters as the band gap E g , carrier mobility - μ, lifetime - τ and others.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006135828/28A RU2324961C1 (en) | 2006-10-11 | 2006-10-11 | Optical modulator of complex wave signals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006135828/28A RU2324961C1 (en) | 2006-10-11 | 2006-10-11 | Optical modulator of complex wave signals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2324961C1 true RU2324961C1 (en) | 2008-05-20 |
Family
ID=39798904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006135828/28A RU2324961C1 (en) | 2006-10-11 | 2006-10-11 | Optical modulator of complex wave signals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2324961C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2459347C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Modulator of power harmonic signals amplitude |
| RU197260U1 (en) * | 2019-11-20 | 2020-04-16 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Fiber optic polarized diversity optical signal receiving device |
| WO2023282782A1 (en) * | 2021-07-09 | 2023-01-12 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт" | Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers |
| RU2813164C1 (en) * | 2021-07-09 | 2024-02-07 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "КуРэйт" (ООО "КуРэйт") | Amplitude-phase modulator on semiconductor lasers with optical injection and method for its application for quantum key distribution |
-
2006
- 2006-10-11 RU RU2006135828/28A patent/RU2324961C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PEREPELITSYN YU.N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, v.537-26, p.239-248, Optical Sciences Ctr./Univ. of Arizon, Tucson, AZ, USA. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2459347C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Modulator of power harmonic signals amplitude |
| RU197260U1 (en) * | 2019-11-20 | 2020-04-16 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Fiber optic polarized diversity optical signal receiving device |
| WO2023282782A1 (en) * | 2021-07-09 | 2023-01-12 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт" | Amplitude and phase modulator based on semiconductor lasers |
| RU2813164C1 (en) * | 2021-07-09 | 2024-02-07 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "КуРэйт" (ООО "КуРэйт") | Amplitude-phase modulator on semiconductor lasers with optical injection and method for its application for quantum key distribution |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4482779A (en) | Inelastic tunnel diodes | |
| Stillman et al. | Electroabsorption in GaAs and its application to waveguide detectors and modulators | |
| Frankel et al. | High-voltage picosecond photoconductor switch based on low-temperature-grown GaAs | |
| Auston | Picosecond photoconductors: Physical properties and applications | |
| Xu et al. | Terahertz radiation from large aperture Si p‐i‐n diodes | |
| Wun et al. | Photonic high-power continuous wave THz-wave generation by using flip-chip packaged uni-traveling carrier photodiodes and a femtosecond optical pulse generator | |
| RU2324961C1 (en) | Optical modulator of complex wave signals | |
| Ciftcioglu et al. | Integrated silicon PIN photodiodes using deep N-well in a standard 0.18-$\mu $ m CMOS technology | |
| US7122813B2 (en) | Device for generating THz radiation | |
| Lee et al. | Picosecond photoconductivity and its applications | |
| US3840741A (en) | Semiconductor delay line detector for equalization of optical fiber dispersion | |
| EP0132139B1 (en) | A light amplifier based on the magnetoelectric-photo effect | |
| Acharyya et al. | Optical control of millimeter-wave lateral double-drift region silicon IMPATT device | |
| RU59849U1 (en) | COMPLEX FORM OPTICAL SIGNAL MODULATOR | |
| Rosen et al. | Optically achieved pin diode switch utilizing a two-dimensional laser array at 808 nm as an optical source | |
| US5051789A (en) | Device having two optical ports for switching applications | |
| Li et al. | 2‐picosecond, GaAs photodiode optoelectronic circuit for optical correlation applications | |
| Shi et al. | Comparison on the synchronization of two parallel GaAs photoconductive semiconductor switches excited by laser diodes | |
| US4531143A (en) | Laser activated MTOS microwave device | |
| Yu et al. | Study of MSM photodetector fabricated on porous silicon | |
| Hsiang et al. | Picosecond silicon metal-semiconductor-metal photodiode | |
| Kamegawa et al. | Picosecond GaAs monolithic optoelectronic sampling circuit | |
| RU2490680C2 (en) | Photonic matrix switch | |
| RU111697U1 (en) | PHOTON MATRIX SWITCH | |
| RU83142U1 (en) | OPTICAL MICROWAVE PULSE GENERATOR |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081012 |