Модулятор ик-излучения

 

<щ 824836

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6еюв Свветских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 29.01.80 (21) 2876836/18-25 с присоединением заявки ¹ (51) М. Кл.

Н 01L 31/00

G 02F 1/03 (53) УДК 621.382 (088.8) (43) Опубликовано 15.08.82. Бюллетень № 30 (45) Дата опубликования описания 15.08.82 пе делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения и (71) Заявитель

М. А. Васильева, Л. Е. Воробьев и В. И. Стафеев" (54) МОДУЛЯТОР И К-ИЗЛУЧ ЕН ИЯ

ГосУдаРственный комитет (23) Приори

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано для малоинерционной широкополосной модуляции ИК-излучения, включая излучение лазеров, например в системах оптической 5 связи и локации и в метрике малоинерционных фотоприемников.

Известны модуляторы на основе полупроводниковых кристаллов (Ge, Si), прозрачных в ИК-области спектра, действие кото- 10 рых основано на поглощении ИК-излучения свободными неравновесными носителями заряда, главным образом дырками, при инжекции их с помощью р-п-перехода (1).

Обычно глубина модуляции меняется в зависимости от конструкции и может превышать несколько процентов. Основным недостатком таких модуляторов является большая инерционность, которая определя- 20 ется временем жизни неосновных носителей заряда и соответствует обычно величине т 10 — с, и поэтому предельная частота модуляции ограничивается значением

1 МГц. 25

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является модулятор

10,6 — микронного излучения CO> — лазера, представляющий собой кристалл германия. р-типа проводимости с концентрацией 30 носителей 10" см — с электрическими контактами и плоскопараллельными оптически полированными торцами и хладопровод (2).

Этот модулятор обладает малой глубиной модуляции: 0,08% при Е=25 В/см илп управляющей мощности в непрерывном режиме 1 Вт. Кроме того, из-за различия коэффициентов расширения германия и сапфира кристалл германия разрушается при многократном охлаждении его от комнатной до рабочей температуры при заливке азота в криостат.

Целью изобретения является повышение глубины модуляции излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в модуляторе ИК-излучения, содержащем кристалл германия р-типа проводимости с концентрацией носителей — 10" см — а с электрическими контактами и плоскопараллельными оптически полированными торцами и хладопроводом, расстояние между электрическими контактами удовлетворяет условию, что время прохождения колебаний в кристалле меньше четверти периода частоты модуляции, а хладопровод выполнен из германия с удельным сопротивлением

) 10 Ом/см при рабочей температуре

80 — 90 К.

824836

3

На чертеже представлен один из вариантов модулятора ИК-излучения предлагаемой конструкции.

Кристалл 1 модулятора с плоскопараллельными оптически полированными торцами 2 и электрическими контактами 3 помещен в хладопровод 4. Своими боковыми гранями кристалл 1 приклеивается смолой к хладопроводу 4. Цилиндрическая поверх. ность германиевого хладопровода покрыта никелем и облужена индпем.

В собранном виде модулятор помещается в медный держатель, соединенный с дном кристалл а.

Возможны и другие варианты конструкции. Например, изготовление кристалла модулятора в форме цилиндра, у которого вся боковая поверхность находится в тепловом контакте с хладопроводом.

В другом исполнении могут быть предложены модуляторы, у которых часть боковой поверхности кристалла (более половины) находится в тепловом контакте с хладопроводом.

Модулятор ИК-излучения работает следующим образом.

Луч света от лазера направляется на просветленный торец кристалла 1. При подаче напряжения через высокочастотный тракт на контакты 3 происходит разогрев дырок, поглощение света увеличивается и, таким образом, происходит модуляция интенсивности прошедшего через кристалл света.

Действие такого модулятора основано на изменении коэффициента поглощения света свободными дырками при их разогреве диэлектрическим полем, возникающим в кристалле при приложении напряжения от внешнего источника.

Предлагаемый принцип модуляции свободен от основного недостатка модуляции с помощью инжекции носителей заряда: большой инерционности, так как инерционность модуляции при разогреве дырок определяется временем разогрева и охлаждения дырок в электрическом поле и обычно лежит в интервале 10 — " — 10 —" с.

Глубина модуляции света М определяется величиной Ьо(р) .р.L, где Ьо(р) — изменение сечения поглощения света дырками в электрическом поле, зависящее от концентрации дырок. При слабом разогреве (Л Т Т((1, где Л Т вЂ” изменение температуры дырок в поле, Т вЂ” температура решетки кристалла) и постоянстве вводимой в кристалл мощности на один носитель заряда е р(р)Е (где р(р) — подвижность дырок, Š— напряженность электрического поля) Ь о (р) падает с ростом дырок в диапазоне р= (1 — 9) 10 " см — примерно как Ло р — " (m = 0,5 — О,б5).

Однако величина Ло р.L (глубина модуляции) при М((1 растет с ростом дырок примерно р "(п=0,35 — 0,5).

Зо

С другой стороны мощность, выделяемая в единице объема вещества, растет в непрерывном режиме с ростом дырок, что приводит к разогреву кристалла и падению глубины модуляции света.

Гаким образом, при модуляции света в непрерывном режиме должна сущестьовать оптимальная область концентраций дырок, для которой достигается максимальная глубина модуляции.

Максимальная глубина модуляции света при постоянном значении L достигается при р = (4 — 7) 10 4 см — . Соединение с хладопроводом большей части всей боковой поверхности кристалла, а не одной грани в варианте, изображенном на чертеже, также приводит к увеличению максимальной глубины модуляции и эффективности модулятора, так как таким способом обеспечивается лучший теплоотвод от кристалла и уменьшается нагрев модулятора при его работе. Модуляция растет с ростом L.

Длина образца по направлению распространения модулируемого излучения выбирается такой, что время прохождения излуУ. и чения вдоль модулятора t= —, где и— коэффициент преломления вещества модулятора, с — скорость света, по крайней мере в четыре раза меньше требуемого периода модуляции излучения. Для германия эти размеры лежат в пределах 10 — 20 мм.

При L>20 мм инерционность будет определяться временем пробега фронта через кристалл и скажется хуже, чем у модулятора, для которого инерционность ограничена скинэффектом (верхняя частота напряжения примерно 2,5 ГГц, соответственно частота модуляции 5 ГГц).

При уменьшении длины L до значений менее 10 мм (при сохранении сопротивления модулятора R=75 Ом) уменьшаются поперечные размеры кристалла до значений менее 0,8)(0,8 мм, что усложняет юстировку модулятора и технологию изготовления.

Поперечные размеры кристалла выбираются такими, чтобы сопротивление модулятора при рабочей температуре было согласовано с выходным сопротивлением стандартных промышленных генераторов напряжения и высокочастотных трактов, например, равным 75 или 50 Ом.

Грани кристалла, на которые падает свет, оптически просветляются на длину волны ИК-излучения, например 1=10,б мкм, путем нанесения диэлектрических слоев или другим способом, что почти вдвое снижает потери света на отражение.

Надежность и долговечность предлагаемого модулятора — важные факторы при его эксплуатации — обусловлены использованием хладопровода из германия с удельным сопротивлением p)10 Ом/см при рабочей температуре.

824836

Ф о р м ул а изо бр етени я

Составитель О. Федюкина

Редактор М. Кузнецова Техред А. Камышникова Корректор E. Хмелева

Заказ 1179/5 Изд. № 758 Тираж 758 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Большая часть всей боковой поверхности кристалла имеет непосредственный тепловой контакт с хладопроводом. В такой конструкции уменьшается неравномерность охлаждения кристалла модулятора по сечению и исключены материалы с разными коэффициентами термического расширения, что обуславливает большие напряжения в узле кристалл — хладопровод. Высокое удельное сопротивление материала подложки p)10 Ом/см гарантирует отсутствие закорачивания модулятора через хладопровод и потерь мощности в хладопро. воде при высоких частотах.

Параметры модулятора не меняются при проведении нескольких сотен циклов охлаждения.

При слабых полях (V<10 — 15 В) модуляция меняется квадратично с напряжением, а затем квадратичная зависимость нарушается частично из-за теплового разогрева кристалла, а частично из-за перехода от области полей, отвечающих слабому разогреву дырок (ЛТ/ To<<1), к области их более сильного разогрева.

При V)30 В тепловой разогрев становится настолько сильным, что модуляция при дальнейшем росте напряжения уменьшается.

Применение модулятора предлагаемой конструкции позволит снизить требования к чувствительности регистрирующей излучение аппаратуры, что приведет к ее упрощению и удешевлению, а также увеличит надежность системы, в состав которой входит модулятор. Это решение достигается благодаря увеличению глубины модуляции

5 света и срока службы модуляторов.

Модулятор ИК-излучения, содержащий

1О кристалл германия р-типа проводимости с концентрацией носителей 10" см — с электрическими контактами и плоскопараллельными оптически полированными торцами и хладопровод, отличающийся тем, 15 что, с целью повышения глубины модуляции излучения, расстояние между электрическими контактами удовлетворяет условию, что время прохождения колебаний в кристалле меньше четверти периода час20 тоты модуляции, а хладопровод выполнен из германия с удельным сопротивлением

) 10 Ом/см при рабочей температуре

80 — 90 К, Источники информации, 25 принятые во внимание при экспертизе

1. Мустель Е. P., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света. — М.:

Наука, 1970, с. 149 — 167.

2. Болтаев А. П. и др. Высокочастотная

3р модуляция 10 мк излучения с помощью эффекта нагревания носителей электрическим полем в германии р-типа. ФТП, т. 7, вып. 10, с. 1896 †18, 1973 (прототип).