Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Основные направления применения таких лазеров— метрология, спектроскопия, голография, связь и, особенно, интегральная оптика и оптические вычислительные устройства. Ф о т од и о д ы, используемые в интегральной оптике, должны работать в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Это требование накладывает ограничения на выбор материалов и технологию их изготовления. Фотодиоды классифицируются в основном по двум признакам' по принципу действия (р/п-фотодиоды, лавинные фотодиоды на Р— и переходах, фотодиоды с барьером Шоттки) н по технологии изготовления (эпитаксиальные; фотодиоды, изготовленные ионной имплантацией и т. д.).
Рассмотрим полупроводниковые фотодиоды для монолитных интегрально-оптических схем, реализующих явление фотопроводимости межзонных электронных переходов, которые имеют место, если энергия кванта падающего излучения равна или больше ширины запрещен. ной зоны~ Ьчэ э ЛЕ. Ширина запрещенной зоны ЛЕ полупроводника, чувствительного к спектральной области ЛХ вЂ” 0,4...1,5 мкм, должна быть порядка ЛЕ 1 эВ. В полупроводниках, широко используемых для изготовления современных фотодиодоа, эти характеристики таковы: Х,„.= 1,2 мкм, ЛЕ = 1,1 эВ (кремний); Л .. = 1,9 мкм, ЛЕ = 0,65 эВ (германий); Х „= 0,85 мкм, ЛЕ = 1,4 эВ (ОаАз).
Итак, первым основным критерием при выборе материала фотоприемника будет длина волны излучения, которую он должен регистрировать. Через Р— и переход, смещенный приложенным к полупроводнику напряжением и„в обратном направлении протекает малый ток утечки, обусловленный поверхностными дефектами и тепловым возбуждением электронов нз валентной зоны звону проводимости. При поглощении падающего излучения на глубину Е„= 1/а (а — коэффициент поглощения, см — ') возникает ток электронно-дырочных пар, генерируемых в область пространственного заряда полупроводника, где этот ток носителей ускоряется электрическим полем и наблюдается мгновенный отклик фототока (быстродействие ( 1 нс).
Квантовая эффективность, т. е. число свободных носителей, генерируемых одним, попадающим на фотодиод фотоном, и. = 1 — [е /([+а~.,)], где ш = 0,1...1 мкм — ширина обедненного слоя (р — и перехода); Ер — длина диффузии дырок. Для волноводного пленочного р/п-фотодиода длиной (см. рис. 17.12, г), когда излучение попадает на р — и переход по волноводному каналу, плотность фототока ! = еФо(1 е )~ где е = 1,6 10 '~ Кл — заряд электрона; Ф, — поток излучения фотонов. В (п-фотодиодах отношение мощности сигнала к мощности шума, Р зависящее от тепловых, дробовых и фоновых шумов [27], (Р,/Р~,„, = [г],э/(4ЛУ)] т'Ф,А [1 + (2й7']е) Ц ЯС)'/(Е/,)) ', (17.22) где Л/ — ширина полосы пропускания, Гц; и — глубина амплитудной модуляции; / — частота модуляции, Гц; А — площадь чувствительного слоя, мм'; Я вЂ” сопротивление фотодиода, Ом; С вЂ” емкость, Ф; 1, — темновой ток, А.
В волноводных фотодиодах фоновым шумом можно пренебречь, поскольку волновод, конструктивно связанный с фотодиодом, фильтрует фоновые шумы. Лавинные фотодиоды работают с высоким напряжением смещения (и, = 50...200 В), почти пробойным напряжением и,. Лавинный процесс умножения носителей порождает усиление фототока с полосой пропускания 10 ГГц. Время жизни носителей в подложке очень мало и они рекомбинируют прежде, чем достигают р — п перехода. В этом пр п ичина быстродействия и малой квантовой эффективности этого типа фотодиодов. Типовые характеристики~ подложка из ОаАз, д„= 125... 367 200 мкм; напряжение пробоя и„= 50...200 В; М = 100; = 0 3.
чувствительность з„= 0 1 а„=,15 А/Вт; т = 0,1 нс; дисперсия шумов а' С е нее ;темновойток!, — 0,5мкА принагрузке500 Х = 0,6 р д время наработки на отказ при температ е 20'С ост 10' ч. В лавинных фотодиодах М =!/[1 — [ ~, озффциент ах = — [и,/и„)~[, где й — козффитально. умножения свободных носителей, опрея определяемый эксперименБлагодаря конструктивной приемлемости для монолитных интегрально-оптических схем перспективными фотодио ами м оттки аналогичен рассмотренном , только заменены переходоммет р у, ко р — л переходы шается чувствитель алл — полупроводник, в ез л — р ультате чего повыуменьшается ность при а, так к р, ак время, жизни носителей области полупроводни .
Т я из-за рассеяния их на дефектах и и им р есях поверхностной о ника. нпнчные характеристики этих " то и следующие: подложка из баАз; Х = 0,8...0 9 мкм; г[с, = 125 мкм; — ...250; т[,э —— 0,3.. 0,5: зх = 0,25...0,4 А/Вт; т = 0,2 нс для Х, = 1,06 мкм; о'— И меется несколько п ин и —,06 мкм; о„, — М; ширина полосы А/ = 2 ГГ . р ц пиальных и технологических способов ц. улучшения характеристик фотодиодов до 30 '/о. Пе ч до .
еречнслнм основные у р д ика нанесением тонкой е поверхности пол п ово н введение 0 примеси 1пБЬ увеличивает чувствительность длины погло ения р ны запрещенной зоны, а также тодиодов. Все поглощения повышает чувствительность и быстр й зто практически достигается созданием ь тодиода с электропоглощением, когда запрещенная зона АЕ пол и ч~м~ю сдвигается б бо в о ласть льшнх длин волн. Ионная имплантация — вто ой сп с — р способ уменьшения запрещенной с авнительна щ ством отодиодов, полученных ионной имплантацией р я легкость технологического процесс . Эт б является ма прогрессивен, так как о а. от способ весьностей п и и оекти ов , так как он почти не создает принципиальных— Однако та р р р анни монолитных интегрально-оптичес труд и еских схем.
п актич кое объединение на одной подложке не р ески не всегда возможно, поскольку треб скольких элементов фотодно ов и у тре ования к подложкам различны. д и других интегрально-оптических элемен ентов, как правило, 17.8. Пе рспективы развития интеграпьной оптики и когерентных оптических вычиспитепьных устройств В недалеком прошлом в интегральной оптике период б ного тия плодотворных идей и замечате период урного развиа ельных экспериментальных ез льттов сменился периодом некоторого за . П б у ютишья.
одо ная ситуация наблюдалась и в развитии лазерной техники 1963 — 1970 гг. заметное охлаждение б, р гг., когда наступило к про леме, которое испытали инже ботчики лазерных систем. К т стем. онструктивные и технологические т ности стали осязаемо ощутимыми и не де жимый энт труднеудержимыи энтузиазм разработ- 368 Тем не менее в !975 — 1980 гг. появились принципиально важные исследования и разработки, которые вновь возбудили широкий интерес инженеров к проблемам интегральной и когерентной оптики, К этим разработкам можно отнести следующие: создание управляемых интегрально-оптических элементов; создание планарных и канальных оптических волноводов с поте ями, меньшими 1 дБ/см; теряизготовление планарных гетероструктурных полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью.
ются о Сейчас многие исследователи считают, что кристаллы баАз яв лаю с основным материалом для собственно интегральной опти ки, , интеграции функциональной совокупности элементов: когерент- 36Э ного излучателя, канала связи, управляемых устройств и приемников излучения на общей подложке из кристалла баАз (рис. 17.14). По-видимому, широкое применение интегральная оптика найдет после того, как разработчики воспользуются успехами, достигнутыми в технологии электронно-ионно-лучевой микрообработки деталей, где управляемый ЭВМ луч перемещается по заданной программе и создает рисунок на специальном электронном резисторе. Затем этот рисунок обрабатывается химическим методом либо ионной имплантацией.
При изготовлении волноводных структур к электронно-ионнолучевой микрообработке предъявляются уникальные требования; например, направленный ответвитель шириной 1...2 мкм должен изготавливаться со средней квадратической шероховатостью края волновода до нескольких тысячных микрометра с контролем распределения показателя преломления по сечению волновода с погрешностью Аа 0,003. Ионно-лучевое распыление позволяет напылять различные пленки в просветах, проделанных в масках после экспонирования электронным пучком на резист и проявления.
Итак, методы электронно-ионной микрообработки и эпитаксия из жидкой фазы являются перспективными технологиями для изготовления монолитного блока с интеграцией различных элементов управления н разработки самих элементов с размерами (0,2...1) ~ 2 ° 10 мкм, Необходимы только весьма прецизионные методы контроля поверхностей раздела выращенных пленок. Темп исследований и количество публикаций в последние годы неизменно возрастают, хотя следует заметить, что до сих пор пока еще относительно мало практических применений интегрально-оптических систем. Это зависит от множества проблем прецизионного технологического характера.
Приведем пример, который надо рассматривать не как окончательное техническое решение, а как иллюстрацию практических возможностей интегральной и когерентной оптики. Речь идет о когерентном интегрально-оптическом вычислителе, каким является ВЧ-спектроанализатор 127).
На подложке кристалла Ь)МЬОа х-среза размерами 3 с 25 х Х 70мма диффузией Т)Оа созданы планарный волновод и две линзы геодезического типа с апертурой О,„= 8 мм и фокусным расстоянием 24,5 мм и 27,2 мм соответственно. Лазерный пучок диаметром 0,06 мм от гетероструктурного лазера 1 (баА!Аз) вводится в планарный волновод (см. рис. 17.14, а), коллимируется линзой 8 и модулируется акустической волной встречно-штыревого преобразователя ВШП, на который поступает ВЧ-сигнал радиолокатора бокового обзора. Угол отклонения лазерного пучка на линзе 9 зависит от периода акустической волны, несущей полезную информацию. Линза э фокусирует пучок на матрицу фотодиодов 7 на кремниевой подложке.
Каждый фотодиод представляет собой конкретный частотный канал, Если электромагнитное поле ВЧ-радиосигнала имеет спектр частот, то пучок света акустической волной и в дальнейшем линзой фокусируется на определенном фотодиоде, положение которого в пространстве зависит от частоты радиосигнала. Так производится спектральный анализ сложного радиосигнала. 370 Достоинством интегрально-оптического спектроанализатора посравнению со специальным электронным процессором являются простота конструкции н улучшенные массогабаритные характеристики. Типовые микропроцессорные ЭВМ при решении данной задачи потребовали бы разработки специальной программы и множества микросхем. Рассмотренный ВЧ-спектроанализатор разработан для пилотов, которым необходима текущая информация о наземной обстановке для идентификации ее с эталонными частотами, хранящимися в бортовой ЭВМ самолета е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
