Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

301

прибора. Вместе с тем известны конструкции поверхностных СИД с малой площадкой и согласующими линзовыми системами.

Поверхностный СИД изготавливается как на основе ДГС (рис. 12.16, а), так и на основе структур с диффузионными р-п - гомопереходами (рис. 12.16, 6). В первом случае свет выводится через полупроводник с широкой запрещенной зоной, что снижает внутренние потери на поглощение. На гомопереходах СИД имеют низкую стоимость и высокую надежность вследствие простоты технологии.

Спектр излучения поверхностных СИД соответствует спектру спонтанного излучения, ширина его по уровню половинной мощности равна 30-50 нм и не зависит от тока накачки. Центральная длина волны излучения λ0, как и в лазерах, определяется шириной запрещенной зоны, т. е. материалом. Ватт-амперная характеристика поверхностных СИД линейна (рис. 12.17) вплоть до значений тока накачки Ι=Ιmax, при которых нагрев активного р-n-перехода снижает выходную мощность. Мощность, излучаемая СИД при Ι=Ιmax, составляет величину 1-10 мВт, мощность, вводимая при этом в волоконный многомодовый световод,—50-500 мкВт. Высокая линейность ватт-амперной характеристики делает поверхностный СИД одним из основных источников для аналоговых систем передачи.

Ширина полосы частот модуляции поверхностных СИД определяется в общем случае временем жизни носителей τ. Переменная составляющая мощности излучения РΩ и мощности излучения в отсутствие модуляции P0 связаны соотношением

РΩ / Р0 = 1/[1 + (Ωτ )2 ]1/ 2 .

Рис. 12.17. Ватт-амперные характеристики поверхностных СИД на двойных ге-

тероструктурах. 1 ¾ GaAlAs; 2 -¾ JnGaAs/JnP

Это означает, что верхняя граничная частота модуляции по уровню 0,707Fв=1/(2πτ). Величина τ зависит от тока инжекции, концентрации электронов и дырок, толщины перехода и скорости рекомбинации. Для выпускаемых промышленностью поверхностных СИД типовое значение Fв не превышает 100 МГц.

В торцевых светоизлучающих диодах, генерируемое излучение выходит из прибора наружу параллельно поверхности p-n перехода, то есть через боковую грань прибора. Это позволяет уменьшить размеры сечения пучка света, эмити-

302

руемого СИД, и повысить эффективность ввода света от диода в волоконный световод, имеющий диаметр сечения сердечника менее 200 мкм. Диаметр излучающей площадки для СИД, с выходом излучения через боковую грань, достигает 50-60 мкм.

Прогресс в развитии торцевых СИД связан с появлением в последние годы конструкций, в которых осуществляется усиление спонтанного излучения без обратной связи — суперлюминесцентных СИД. Суперлюминесцентные СИД по параметрам излучения занимают промежуточное положение между лазерами и поверхностными СИД со спонтанным излучением. Конструкция люминесцентных СИД представляет собой двойную гетероструктуру с полосковым контактом, который с одной только стороны доходит до торца кристалла (рис.12.14). Таким образом, основное отличие от лазера с полосковым контактом состоит в отсутствии резонатора Фабри — Перо, т. е. в отсутствии положительной обратной связи. Спонтанное излучение происходит равновероятно во все стороны, однако часть его удерживается, направляется планарным световодом и усиливается за счет вынужденного излучения. При этом, в процессе распространения происходит сужение спектра излучения, так как спектральные компоненты, расположенные у максимума линии спонтанного излучения, усиливаются сильнее. Спектр излучения суперлюминесцентных СИД сплошной, так же как и у поверхностных, однако значительно уже (3-5 нм). Диаграмма направленности более узкая, чем у поверхностных СИД, и несимметричная, как у лазеров, с угловыми размерами около 120...40°. Эффективность ввода излучения суперлюминесцентных СИД в многомодовые волокна выше, чем у поверхностных. Мощность излучения лежит в пределах 1-10 мВт, мощность, вводимая в многомодовый световод, 0,1-1 мВт. Светоизлучающие диоды являются наиболее подходящими источниками для низкоскоростных систем передачи информации с использованием многомодовых волоконных световодов.

Рис. 12.18. -Схематическое изображение светодиода на основе двойной гетероструктуры с торцевым излучением

Типичная для СИД эффективность излучения, характеризующая зависимость отношений мощности на выходе, составляет 550мкВт/мА. Генерируемый СИД свет не поляризован. Спектр излучения непрерывный (рис.12.19) [8,17,27,29].

303

Рис. 12.19. Характерный спектр излучения СИД на основе GaAs

Глава 13.

ПРИБОРЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Современная оптоэлектроника, как и “ обычная” электроника, является твердотельной. Это означает, что работа, как отдельных элементов, так и оптоэлектронных систем в целом построена на основе различных оптических явлений, протекающих в твердых телах. Анализ этих явлений базируется на рассмотрении процессов взаимодействия электромагнитного излучения с атомными системами, проведенном ранее, вначале нашего курса.

Лазерное излучение можно использовать как высокоэффективный переносчик информации [9]. Чтобы осуществить передачу информации о событии, представляющем собой изменение во времени параметра А некоторого реального физического процесса (например, изменение температуры контролируемого объема), требуется в общем случае реализовать преобразование функции А(t) в соответствующее изменение во времени одного из параметров лазерного излучения. К определяющим параметрам лазерного излучения относится интегральная величина потока излучения Рл, сосредоточенного в эффективной зоне лазерного пучка с расходимостью θ, значения частот спектральных линий ν1, ν2… νп тонкой структуры и соответствующие им значения начальных фаз колебаний ϕ1, ϕ2, ϕп направление оси лазерного пучка в пространстве, определяемое единичным вектором k . В тех случаях, когда тонкая структура спектра не играет существенной роли, в расчетных формулах используется центральная частота рабочего перехода лазера ν0, значение начальной фазы ϕ0, ширина спектра Δν.

Указанное выше преобразование двухэтапное: сначала (в датчике) происходит преобразование параметра анализируемого процесса А в параметр промежуточного носителя информации Q (параметр Q – напряжение электрического поля), а затем изменение Q переводится в изменение одного из параметров излучения, которые далее обозначим символом χ. Преобразование Q(t)→χ(t) осуществляется специальными устройствами управления излучением.

Приборы управления по назначению делятся на два класса:

1)Модуляторы

2)Дефлекторы

Модулятор предназначен для воспроизведения произвольного, строго говоря, случайного закона изменения рабочего параметра излучения. Модуляция – это

304

изменение параметров света (его фазы, амплитуды, поляризации, частоты и т.д.) в зависимости от управляющего сигнала. Дефлектор служит для изменения направления распространения луча (сканирования). Причем, закон изменения направления луча после дефлектора (закон сканирования), в большинстве случаев, является детерминированным, рассчитанным заранее. Приборы управления излучением могут быть сконструированы в виде внешних или внутри резонаторных элементов. Внешние устройства изменяют параметры излучения после выхода луча. Внутренние же элементы управления излучением обеспечивают преобразование параметров луча в процессе его формирования непосредственно в генераторе.

13.1.Методы модуляции, классификация

В настоящее время известно большое число методов и физических явлений, на основе которых созданы оптические модуляторы [35,36]. Выделим и кратко охарактеризуем те из них, которые нашли применение в современном приборостроении:

1)Оптико-механические модуляторы интенсивности излучения. Действуют по принципу “ механической шторки”. Область их применения ограничена главным образом из-за высокой инерционности и малой надежности. К достоинствам этих модуляторов следует отнести малые искажения пучка, малые потери света и широкий рабочий спектральный диапазон.

2)Интерференционные модуляторы. Модуляция интенсивности и фазы достигается в них за счет малых, не превышающих полдлины волны, механических перемещений отдельных элементов интерференционной оптической схемы. Для чего используются обычно пьезоэлектрические, магнитострикционные элементы и электромагнитные устройства.

3)Модуляторы на управляемом оптическом контакте. При малых перемещениях одной из двух соприкасающихся оптических поверхностей происходит перераспределение энергии в проходящем и отраженном пучках. Модуляторы групп 2 и 3 чувствительны к изменениям температуры.

4)Акустооптические модуляторы. Модуляция излучения в них происходит за счет дифракции на неоднородном по величине показателе преломления объемной структуры, возникающей за счет изменения давления в возбуждаемой ультразвуковой волне с управляемыми параметрами. Модуляторы этого типа достаточно светосильны, полоса модуляции достигает 106 Гц. Недостаток – чувствительны к вибрациям и температуре.

5)Полупроводниковые модуляторы. В них осуществляется управление коэффициентом пропускания за счет изменения концентрации носителей тока. Модуляторы контактны, работоспособны в инфракрасном диапазоне. Недостаток

–требуют больших плотностей тока управления, и, следовательно, сложных систем принудительного охлаждения.

6)Модуляторы, основанные на явлении наведенной анизотропии. Их можно подразделить на три подгруппы:

а) Модуляторы, основанные на магнитооптических эффектах; б) На эффекте фотоупругости; в) Электрооптические модуляторы.

305

На основе указанных эффектов можно получить любой вид модуляции. Наиболее быстродействующими и перспективными на сегодня являются электрооптические и акустооптические модуляторы, на которых остановимся подробно.

13.2.Электрооптические модуляторы света

Работа электрооптических модуляторов света основана на использовании электрооптического эффекта в веществах, сущность которого заключается в изменении показателя преломления вещества под действием электрического поля. Он проявляется в анизотропных средах, и средах которые становятся анизотропными под действием электрического поля.

Для анизотропных сред связь между компонентами векторов электрической индукции D и напряженностью электрического поля E задается в общем случае более сложными соотношениями. Для изотропных – D = e E , для анизотропных

D = )E Проектируя на оси координат, получим:

ε

Dх = εххЕх + εхуЕу + εхzЕz

Dу = εухЕх + εууЕу + εуzЕz

Dz = εzхЕх + εzуЕу + εzzЕz

Девять величин εij образуют тензор диэлектрической проницаемости. Плотность электрической энергии поля кристалла, в общем случае, равна ρЕ = ( E D ) / 2,

подставляя E и D , получим ρЕ = 0,5 {εххЕ2х + εууЕ2у + εzzЕ2z + 2εzуЕхЕу + 2εxzЕхЕz + 2εуzЕуЕz}. Такой результат получается при произвольном выборе координатных

осей. Вид тензора έ зависит от выбора системы координат так, что все εiк = 0, где i

Система координат, в которой тензор ε диагонализован, называется главной cистемой координат, а ее оси-главными диэлектрическими осями. В этом случае плотность энергии

Направление этих осей совпадает с направлением осей ( x,y,z ) Тогда получим :

где ξ,η,ζ-безразмерные величины, имеют смысл некоторых показателей преломления. Рассмотрим уравнение (13.2). Это равнение эллипсоида с главными осями вдоль направлений x, y, z. Длины полуосей эллипса равны, соответственно - nx, ny, nz. Этот эллипсоид определяет поверхность постоянной плотности энергии и называется эллипсоидом преломления или оптической индикатрисой кристалла. Его использование удобно при анализе оптических свойств анизотропных кристаллов.

Эллипсоид образуется следующим образом. Из произвольной точки О кристалла отложим по всем направлениям радиусы-векторы равные, в некотором масштабе, показателю преломления кристалла в этом направлении. Концы векторов, в общем случае образуют 3x-осный эллипсоид (см. рис. 13.1)

Z

nz

ny

О

Y

nz

Рис. 13.1. Эллипсоид показателей преломления

Оптическая индикатриса полностью характеризует оптические свойства кристаллов. Для изотропных кристаллов nx = ny = nz = n0. Любое ее сечение есть окружность, поэтому оптические свойства таких кристаллов не зависят от направления, т.е. являются оптически изотропными. Если кристалл анизотропен, возможны два случая

1)При nx = ny ¹ nz сечение окружности можно провести только одно. Оптическая индикатриса – эллипсоид вращения. Такие кристаллы называются одноосными.

2)В кристаллах с nx ¹ ny ¹ nz таких сечений может быть только два. Направления, перпендикулярные этим сечениям, называются оптическими осями кристалла.

Рассмотрим анизотропную прозрачную не проводящую (σ = 0 ), немагнитную (μ = 1) среду. Пусть в этой среде распространяется плоская монохроматическая волна, вектор электромагнитного смещения которого равен D = D0e-j k r , где r -радиус вектор, k – волновой вектор ( k = 2π / λ = ω/v). Распространение свето-

307

вых волн в такой среде описывается уравнениями Максвелла. В случае отсутствия объемных зарядов имеем

div D = 0 или div D = (ÑD)= 0, где Ñ = (d/dx)i+ (d/dy)j+ (d/dz)k,

D = D0e-i(Kx×x +Kyy+Kzz . Тогда (Ñ×D) = (K×D) = 0. Отсюда следует, что К^D

Z ζ

ξX

Рис. 13.2. Эллипсоид показателей преломления и нейтральные оси, соответствующие данному направлению распространения световой волны

В качестве анизотропной среды выберем одноосный кристалл. Оптическая индикатриса – эллипсоид вращения (рис. 13.2). Вектор К оканчивается на поверхности индикатрисы. Решая основные уравнения Максвелла можно найти ориентацию вектора D в сечении оптической индикатрисы. Рассечем индикатрису плоскостью перпендикулярной вектору К. В этой плоскости лежит вектор D. Сечение в виде эллипса показывает, что вектор D может быть ориентирован в сечении двояко: либо вдоль малой полуоси, либо вдоль большой полуоси малого эллипса. Отсюда следует, что световая волна в анизотропном кристалле распадается на две линейно -поляризованные монохроматические волны: (обыкновенную с коэффициентом

преломления n0 и необыкновенную с коэффициентом преломления nн). Волны имеют одинаковую частоту, одинаковое направление волнового вектора, но различаются показателями преломления, а, следовательно, и разными скоростями распространения v1 = c/n1; v2 =c / n2, поляризацией. Этот эффект носит название двулучепреломления. Некоторые кристаллы являются изотропными только до приложения внешнего поля. У большинства электрооптических кристаллов анизотропия появляется после приложения электрического поля. Двойное лучепреломление не испытывают волны, распространяющиеся вдоль оптической оси

[7,9.11,37].

13.2.1.Электрооптический эффект Поккельса

Появление оптической анизотропии следует рассматривать как результат изменения диэлектрической проницаемости вещества под действием электрического поля εik(E) = f(E), где Е – напряженность электрического поля, а не поля световой волны. При Е = 0 εik(0) = ε0ik-тензор диэлектрической проницаемости кристал-

Где числа βiks образуют тензор третьего ранга, симметричного по индексам i и k (βiks = βkis), таких чисел 27. Если βiks¹0 -возникает линейный электрооптиче-

308

ский эффект, его называют эффектом Поккельса. Он появляется в кристаллах под влиянием внешнего электрического поля. Одноосный кристалл обретает свойства двуосного. Если βiks = 0, то зависимость εik = f(Е) становится квадратичной. Такой эффект носит название квадратичного электрооптического эффекта или эффекта Керра. Эффектом Керра обладают некоторые жидкости, такие как нитробензол, сероуглерод, а также кристаллы группы перовскитов АВО3.

Используя линейный или квадратичный электрооптический эффекты можно легко построить фазовый или амплитудный электрооптический модулятор. Рассмотрим кратко эффект Поккельса [4,7,9]. На практике эффект Поккельса широко применяется в одноосных кристаллах типа КН2РО4 (KDP).

В отсутствие внешнего поля оптическая индикатриса кристалла KDP представляет собой эллипсоид вращения, главные полуоси которого имеют длины nн=nz по оси z (оптической оси), nx = ny = n0 – по оси x и y.

Z

nн

n0

X

Рис. 13.3. Оптическая индикатриса кристалла КDР в отсутствие поля

Электрическое поле прикладывают вдоль оптической оси кристалла – z. В результате эллипсоид вращения оптической индикатрисы деформируется (превращается из эллипсоида вращения в трехосный эллипсоид, при этом ось z перестает быть оптической осью кристалла) и поворачивается. Главные диэлектрические оси x и y поворачиваются на 450. Графически это можно пояснить следующим образом (см. рис. 13.4). Если приложить поле вдоль оси z, то круг в плоскости сечения перпендикулярной оси z превращается в эллипс. В отсутствии поля кристалл характеризовался двумя главными показателями преломления (nн и n0). При наличии поля число главных показателей преломления возрастает до трех, n1,n0,n2

где r- электрооптическая константа.

Теперь рассмотрим, что происходит со световой волной проходящей через электрооптический кристалл. На практике используют два варианта: свет распространяется вдоль направления внешнего поля, т.е. вдоль оси z (продольный электрооптический эффект.); свет распространяется перпендикулярно направлению распространения поля (поперечный электрооптический эффект).

310

Таким образом, из рассмотренного выше следует, что используя продольный электрооптический эффект можно построить фазовый модулятор. Фазовый модулятор можно легко преобразовать в амплитудный или в модулятор интенсивности световой волны. Рассмотрим некоторые способы модуляции, применяемые на практике.

Амплитудная модуляция света. Электрооптический модулятор света впервые был создан Биллингсом [37], который применил для этой цели кристалл АDР. Схема экспериментальной установки Биллингса показана на рис. 13.5. Кристалл АDР с приложенным вдоль оси z напряжением помещался между скрещенными поляризаторами. Плоскость входного поляризатора параллельна оси х, выходного — оси у. При наличии поля Еz главные диэлектрические оси занимают положение х' и y'. Показатели преломления для волн, поляризованных вдоль этих направлений, определяются по тем же формулам, что и в случае КDР. Падающий на кристалл свет имеет равные компоненты поля Е по осям х' и y'. Комплексные амплитуды Ех' и Еу' на выходе кристалла можно записать в виде

ция выходящего луча остается неизменной. Поэтому скрещенный выходной поляризатор не пропускает этот луч. При U = U1/2 запаздывание равняется Г = π. В результате этого выходящий из кристалла луч поляризован вдоль оси у, и выходной поляризатор полностью пропускает световой луч.