ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1994 года по МПК G02F3/00 G06E3/00 H01L31/08 

Изобретение относится к усилителям оптических сигналов и может использоваться в системах оптической обработки информации и в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

Известны усилители оптических сигналов, основанные на эффекте усиления света при его прохождении через инверсно населенную среду (квантовые усилители).

Недостатком таких устройств является невозможность регулировать выходное излучение.

Наиболее близким к предлагаемому является оптическое устройство типа транзистора. В основе оптического транзистора лежит интерферометр Маха-Цендера, резонатор которого представляет собой полупроводниковый кристалл с нелинейным показателем преломления. Интерферометр образован двумя параллельно расположенными волноводами, связанными на входе и выходе Y-образными волноводными разветвителями, а в одном из плеч интерферометра помещен компенсатор фазы оптической длины. Управление излучением происходит за счет электродов, установленных параллельно плечам интерферометра, подачей на них управляющего поля.

Недостатком этого устройства является узкий динамический диапазон (амплитудный диапазон постоянства коэффициента усиления) вследствие использования резонансной схемы.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона при сохpанении быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что в известном оптическом транзисторе, включающем интерферометр в виде параллельных волноводов с У-образными разветвителями на входе и выходе и компенсатор фазы оптической длины в одном из плеч интерферометра, волноводы выполнены в виде металлических полос, а во второе плечо интерферометра встроен планарный фотоприемник.

В качестве волновода в устройстве могут быть использованы полосковые структуры "металл-полупроводник".

В качестве быстродействующего фотоприемника может быть использована планарная структура "металл-полупроводник" в виде встроенных друг в друга гребенок встроечно-штрыевого или спирального типа.

На фиг. 1 представлен общий вид оптического транзистора; на фиг.2 - зависимость коэффициента усиления транзистора от мощности зондирующего луча (пучка) при мощности опорного пучка Р_о = 1 Вт.

Транзистор представляет собой полупроводниковую структуру 1, на которой расположены волноводы 2, образующие конструкцию из двух параллельных участков, связанных двумя Y -образными разветвителями. В один из параллельных участков встроен планарный фотоприемник 3, а в другой - компенсатор фазы 4, который может иметь вид металлических контактов, электрически не связанных с волноводом. Оптический сигнал подается на вход 5 и снимается с выхода 6 непосредственно с торца кристалла (полупроводниковой структуры) или через сопряженные с ним оптические волоконные линии связи.

П р и м е р. На кристалл 1 GaAs напылен тонкий / ≈ 1000 / слой SIO. Он необходим для уменьшения потерь на поглощение света при его распространении в волноводе. Волновод 2 образован на поверхности структуры GaAs-SiO в области пространственного заряда (ОПЗ) путем напыления металлических, например, алюминиевых полос. Толщина ОПЗ может быть увеличена путем подачи обратного смещения на алюминиевые полосы. В одно из параллельных плеч интерферометра встроен планарный фотоприемник 3 встречно-штыревого или спирального типа. Компенсатор фазы 4 представляет собой два алюминиевых контакта, электрически не связанные с волноводами и расположенные параллельно другому участку интерферометра 2. Компенсация фазы осуществляется путем подачи напряжения Ек на контакт 4, за счет чего изменяется показатель преломления в плече волновода. Необходимое для формирования волновода 2 уменьшение показателя преломления достигается изменением концентрации свободных носителей в полупроводниковой структуре.

Устройство работает следующим образом.

В интерферометр через вход (торец) 5 полупроводниковой подложки 1 в волновод 2 вводится опорное излучение. В зависимости от напряжения компенсации Ек в компенсаторе 4 устанавливается начальная интенсивность излучения на выходе 6 транзистора. Интенсивность излучения на выходе 6 может равняться нулю, максимальному или любому промежуточному значению. Через фотоприемник 3 в другом плече вводится зондирующий (управляющий) пучок, который изменяет концентрацию носителей в волноводе 2 и тем самым меняет показатель преломления в этом плече волновода, за счет этого появляется дополнительный сдвиг фаз между параллельными плечами интерферометра и меняется интенсивность излучения на выходе 6.

Оценим изменение показателя преломления в управляющем плече волновода 2 в результате воздействия управляющего оптического сигнала на фотоприемник 3, а также величину достигаемого при этом коэффициента усиления.

Если n_о - показатель преломления в том случае, когда носители отсутствуют, то зависимость между показателем преломления n и концентрацией носителей N имеет вид
n = n_o- , (1) где е - заряд электрона;
ε_o - диэлектрическая проницаемость вакуума;
m* - эффективная масса электрона;
ω - круговая частота света.

Тогда разница между показателями преломления в ОПЗ и в остальном полупроводнике будет
Δn = , (2) где n₂ - показатель преломления п/п в ОПЗ;
N₂ - концентрация носителей в светопроводящем слое (ОПЗ);
N₃ - концентрация носителей в ограниченном слое (остальном полупроводнике);
N₃ > N₂,
т. к. N₂ ≈ 0 (концентрация носителей в ОПЗ), то выражение (2) приобретает вид
Δn = .

Для поддержания моды низшего порядка необходимо, чтобы Δn ≈ 10^-4. Используя значения m* = 0,067_mo, где m_o - масса свободного электрона в вакууме; ω²= 3,6 ^.10³⁰ Гц²; n_o = 3,16 получаем:
Δn = 2,5 ^. 10^-27 N₃ (в системе СИ).

Для величины Δn ≈ 10^-4 получаем значение N₃ ≈ 10²³ м^-3 (или 10¹⁷см^-3).

Модуляция (управление) излучения осуществляется через поверхность фотоприемника 3. При его освещении зондирующим (управляющим) пучком в волноводе происходит изменение концентрации носителя и изменение на выходе 6 интерферометра интенсивности выходного излучения, которая описывается выражением:
I_вых= I_o+2 cosΔϕ , где I^o - интенсивность на входе интерферометра;
I₁ и I₂ - интенсивности в 1-м и 2-м плечах соответственно;
Δϕ - разность фаз, обусловленная различными оптическими длинами путей света в плечах волновода. При этом:
Δϕ = Δϕ_o+ Δn , где Δϕ_o - постоянный сдвиг фаз;
λ - длина волны света;
l - геометрическая длина пути света;
Δn - разность показателей преломления в плечах.

Из этого видно, что изменение интенсивности на 1% вызывается величиной Δn ≈ 10^-5. Этому соответствует изменение концентрации ΔN ≈ 10¹⁶ см^-3. Такое изменение вызывает свет мощностью
P = , где h ν - энергия кванта света;
ΔN - изменение концентрации носителей;
V - поглощающий объем;
η - квантовая эффективность;
τ - среднее время жизни неравновесных носителей заряда в ОПЗ.

Подставляя в эту формулу значения:
h ν ≈ 1 эВ, ΔN≈ 10¹⁶ см^-3;η ≈ 0,7; τ ≈ 10^-8 с получаем значение р ≈ 10^-4 Вт. Интенсивность света в этом случае составит величину I ≈ 10 Вт/см².

Рассмотрим использование оптического транзистора в качестве усилителя света. На вход 5 интерферометра подается свет мощностью Р_о. Модуляция осуществляется светом мощностью Р_вх. Коэффициент усиления такой схемы будет определяться как
G = , где Р_вых - выходная мощность света; ее можно определить через интенсивность света на выходе:
I_вых= II+cos , где I_o - интенсивность света на входе интерферометра.

Р_вых = I_вых^. S_в где S_в - площадь поперечного сечения волновода;
Если S_в на входе равна S_в на выходе, то:
P_вых= PI+cos .

Зная выражение для Р_вх, получим явное выражение для коэффициента усиления:
G = I+cos.

Результаты расчета при значениях Р_о ≈ I Вт и ϕ_o = 0^о представлены на фиг. 2. Наибольшее значение G ≈ 30 дБ достигается при наибольших уровнях модуляции. Быстродействие такого усилителя определяется быстродействием фотоприемника (≈ I-10 пс).

Как видно из фиг.2, постоянство коэффициента усиления достигается при изменении концентрации носителей заряда в управляющем плече до 4 ^.10¹⁶ см^-3, что составляет от 10 до 1000 ед. коэффициента усиления. Это на 2-3 порядка больше, чем в прототипе, т.е. динамический диапазон заявляемого транзистора значительно шире. Кроме того, весь оптический транзистор имеет площадь порядка 200 Х 100 мкм. Ширина металлических полосок-волноводов составляет ≈ 20-40 мкм. Фотоприемник имеет размеры 40 х 40 мкм с шириной штырей и межштыревым зазором 2-3 мкм. Те же размеры имеют место и для фотоприемника спирального типа. Планарное исполнение оптического транзистора позволяет формировать на поверхности п/п кристалла различные оптические схемы и использовать отработанные технологии вакуумного напыления. Кроме того, изготовление подобных структур возможно не на кристаллах, а на пленках GaAs, что приводит к экономии материала. К достоинствам изобретения относится также легкость сопряжения с ВОЛС и с интегральными оптическими элементами оптических компьютеров.

Использование: усиление оптических сигналов в волоконно-оптических линиях связи. Сущность изобретения: транзистор представляет собой интерферометр Маха-Цендера, выполненный в виде параллельных металлических волноводов с У-образными разветвителями. В одно плечо встроен компенсатор фазы, а в другое - планарный фотоприемник. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий интерферометр в виде параллельных волноводов с У-образными разветвителями на входе и выходе и компенсатором фазы оптической длины в одном из плеч интерферометра, отличающийся тем, что волноводы выполнены в виде металлических полос, а во второе плечо интерферометра встроен планарный фотоприемник. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника использована планарная структура "металл-полупроводник" в виде встроенных одна в другую гребенок встречно-штыревого или спирального типа.