ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СИГНАЛОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ Российский патент 2008 года по МПК G02F1/03 

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.

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.

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).

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.

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.

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).

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.

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≥E_g, (где hν - энергия кванта, E_g - 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.

Таким образом, устройство - прототип обеспечивает оптически амплитудную модуляцию светового потока и формирование импульса управляемого света только прямоугольной формы.

В настоящее время отсутствуют оптические модуляторы оптических сигналов сложной формы, обеспечивающие высокую стабильность спектральных, пространственно-временных и энергетических характеристик оптических импульсов сложной формы.

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.

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.

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.

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).

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 (i_тем.˜10^-9-10^-8 А), что позволяет обеспечить при воздействии освещения максимальную фоточувствительность. Кроме этого, только в таком полупроводнике протяженность обедненной области L_0б, образующейся после приложения внешнего напряжения (в отсутствии освещения), распространяется на всю толщину полупроводника L_0б>L_п и тем самым обеспечивается распределение всего приложенного напряжения только на полупроводниковой компоненте структуры V₀≈V_П, где V₀ - величина приложенного напряжения, V_П - напряжение, распределяющееся на высокоомной полупроводниковой компоненте структуры.

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.

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:

- 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;

- изменение величины напряженности электрического поля в одной из частей структуры должно взаимно однозначно определяться только интенсивностью воздействующего освещения;

- изменения поля при включении и выключении управляющего освещения должны происходить за минимально короткое время.

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≥Е_нас. 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≥E_g, (где hν - энергия кванта. E_g - 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≥Е_нас, 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 L_E в n-CdTe в условиях насыщения дрейфовой скорости достигает своего максимума и становится практически постоянной (при времени жизни основных носителей τ_n˜10^-6, подвижности основных носителей μ_n(E(x,t))˜700-900 с²/В·с и напряженности внутреннего поля Е_нас˜3-3,5 кВ/с, L_E˜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.

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.

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.

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 μ_n превышает подвижность дырок μ_p в 8-10 раз, то соответственно при указанной полярности приложенного напряжения это позволяет достигать, по сравнению с прототипом, более высокой скорости оптической модуляции.

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.

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 N_s. 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.

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.

Таким образом, все перечисленные в формуле изобретения признаки являются необходимыми, а их совокупность достаточной для достижения поставленной задачи, т.е. являются существенными.

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.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом решении критерия «изобретательский уровень».

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.

На фиг.1:

1 - активный элемент в виде M₁ТД₁ПТД₂M₂ структуры

2 - входной поляризатор

3 - выходной поляризатор

4 - источник управляющего света

5 - источник управляемого света

6 - источник питания

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.

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.

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.

Оптический модулятор сигналов сложной формы работает следующим образом.

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.

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.

Пример конкретного выполнения.

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.

Сразу, после стадии обработки, туннельно-тонкие слои диэлектрика толщиной d˜20-30 Å на двух противоположных гранях монокристалла l×h ([110] и создавались путем окисления монокристалла в атмосфере сухого О₂ в течение 3 часов. После окисления на эти же грани монокристалла с помощью напыления наносились тонкие, оптически прозрачные металлические слои меди толщиной 0,01 мкм, а затем образец прогревался при температуре 190°С в атмосфере O₂ в течение 5 часов. После охлаждения поверх медного слоя в одном из углов каждой из окисленных граней наносился слой In размерами 0,1×0,1 мм, к которому впоследствии припаивались металлические электроды (Au), а затем на одну из граней кристалла наносился слой нитрида кремния, который являлся одновременно просветляющим и герметизирующим покрытием. Для уменьшения поверхностных токов утечки и исключения «закоротки» между электродами по периметру грани, содержащей просветляющее покрытие, поверх сформированных слоев методом диффузии (As) создавалось диэлектрическое охранное кольцо с глубиной залегания ˜100 мкм и шириной на поверхности грани 150 мкм.

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.

Для регистрации характеристик оптических импульсов сложной формы на выходе оптического модулятора использовался германиевый лавинный фотодиод типа НФО 423 ГВ и четырехканальный осциллограф С1-122.

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 активного элемента, т.е. распространялся у освещаемой управляющим светом грани активного элемента, параллельно его длинной грани 1. К электродам структуры прикладывалось постоянное напряжение в диапазоне V₀=450÷600 В, после чего исследовались два режима работы оптического модулятора при различных значениях приложенного напряжения.

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.

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).

При этом при величине напряжения, приложенного к активному элементу V₀ ^попер=V_π, где V_π - 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 t_пре.фр.˜10-15 нс и длительность заднего фронта t_зад.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.

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).

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.

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 E_g, подвижности носителей заряда - μ, времени жизни - τ и других.

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Оптический модулятор содержит активный элемент, входной и выходной поляризаторы, источник управляющего света и источник управляемого света. Активный элемент состоит из высокоомного слоя кристалла n-типа проводимости, двух туннельных диэлектриков, двух оптически прозрачных металлических электродов, просветляющего покрытия и охранного кольца, выполненного охватывающим оптически прозрачный металлический электрод и просветляющее покрытие. Электрод активного элемента соединен с отрицательным контактом источника питания. Ось излучения источника управляющего света перпендикулярна плоскости просветляющего покрытия, а ось излучения источника управляемого света параллельна нормали грани кристалла с ориентацией плоскости активного элемента. Технический результат - создание оптического модулятора, позволяющего формировать импульс любой сложной формы, осуществлять сложение сигналов сложной формы, а также повысить скорость оптической модуляции. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Оптический модулятор сигналов, содержащий размещенный между входным и выходным 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, отличающийся тем, что 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.2. Оптический модулятор сигналов по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй, расположенный параллельно первому и аналогичный ему источник управляющего света, ось излучения которого также перпендикулярна плоскости просветляющего покрытия.