способ модуляции электромагнитного излучения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ модуляции электромагнитного излучения, заключающийся в том, что направляют модулируемое излучение на поверхность полупроводниковой пластины и изменяют концентрацию свободных носителей в пластине, отличающийся тем, что направляют модулируемое излучение с частотой под углом полного внутреннего отражения к поверхности пластины, возбуждая поверхностные плазменные поляритоны, а концентрацию свободных носителей изменяют в пределах, достаточных для нарушения условия возбуждения поверхностных плазменных поляритонов на частоте модулируемого излучения.

2. Устройство для модуляции электромагнитного излучения, содержащее пластину из полупроводника с собственной проводимостью, две противоположные поверхности которой имеют разные скорости поверхностной рекомбинации, а расстояние между ними сравнимо с диффузионной длиной носителей заряда, помещенную в скрещенные магнитное и электрическое поля, отличающееся тем, что перед поверхностью пластины с меньшей скоростью рекомбинации расположена призма нарушенного полного внутреннего отражения на расстоянии меньше

где - длина волны модулируемого излучения;

n показатель преломления призмы;

- угол падения модулируемого излучения в призме.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к модуляторам электромагнитного излучения и может быть использовано в системах оптической обработки информации, а также при оптической связи.

Известен способ модуляции лазерного излучения ИК-диапазона, основанный на изменении отражательной способности полупроводниковой пластины путем изменения величины эффективной массы свободных носителей в области плазменного резонанса, реализованный в устройстве, содержащем пластину сильнолегированного полупроводника n- -типа, зона которого непараболична, с электронным типом проводимости и концентрацией носителей 510¹⁷ см^-3 [1] Путем подбора материала с нужной концентрацией носителей заряда добиваются того, что в исходном состоянии при отсутствии электрического поля отражательная способность полупроводниковой пластины на данной длине волны была максимальной. Приложение поля к пластине, увеличивая эффективную массу, уменьшает ее отражательную способность на этой длине волны, осуществляя тем самым амплитудную модуляцию падающего на полупроводниковую пластину ИК-излучения.

Большая управляющая мощность, связанная с необходимостью изменять эффективную массу носителей заряда, основной недостаток этого способа и устройства, его реализующего.

Необходимость использования сильнолегированных, а следовательно, низкоомных, порядка нескольких Ом, полупроводниковых материалов предусматривает применение мощных генераторов тока с низким внутренним сопротивлением, также порядка нескольких Ом. Отсутствие промышленных генераторов такого типа существенно ограничивает возможности практического использования указанного устройства.

Известен другой способ модуляции длинноволнового ИК-излучения, основанный на изменении пропускательной способности полупроводниковой пластины за счет поглощения модулируемого излучения свободными носителями заряда, концентрация которых изменяется [2] Устройство, в котором реализован этот способ, содержит полупроводниковую пластинку из германия, которая снабжена контактами в торцевой части, посредством которых она соединена с управляющим источником электрического поля E и помещена в магнитное поле H. Величины E и Н полей изменяют от нуля до некоторой величины. Две широкие противоположные грани пластины выполнены так, что на одной из них скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда мала, а на другой велика. Пластину помещают в магнитное поле таким образом, что его силовые линии параллельны широким граням. Прикладываемое к пластине электрическое поле перпендикулярно магнитному полю. Модулируемое излучение, падающее на одну из широких граней пластины, перпендикулярно плоскости, в которой лежат E и Н поля.

Излучение, проходящее через полупроводник, поглощается в нем, причем коэффициент поглощения прямо пропорционален концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике. Изменяя концентрацию носителей с помощью электрического поля, модулируют излучение на длине волны 337 мкм, достигая коэффициента модуляции 40

Недостатками этого способа и устройства являются низкий коэффициент модуляции для длин волн средней ИК-области, т.к. коэффициент поглощения света свободными носителями пропорционален квадрату длины волны модулируемого излучения, по этой же причине узкий частотный диапазон модулируемого излучения, а также то, что из-за того, что модулятор работает на просвет, происходят большие потери интенсивности модулируемого излучения за счет отражения на гранях полупроводниковой пластинки, достигающие величины 60

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ модуляции электромагнитного излучения, включающий облучение полупроводниковой пластины модулируемым излучением и изменение отражательной способности пластины в области плазменного резонанса путем изменения концентрации свободных носителей. Этот способ реализован в устройстве [3] в котором изменение отражательной способности полупроводниковой пластины, а тем самым и модуляция ИК-излучения происходит за счет того, что пластину, изготовленную из полупроводника с собственной проводимостью, с толщиной, сравнимой с диффузионной длиной носителей заряда, и снабженную в торцевой части контактами, посредством которых она соединена с управляющим источником электрического напряжения, располагают в скрещенных электрическом и магнитном полях. При этом широкие грани пластины должны иметь различные скорости поверхностной рекомбинации: большую и малую, и на поверхность с меньшей скоростью поверхностной рекомбинации нанесен слой из идентичного полупроводника, обладающего примесной проводимостью, толщина которого l должна удовлетворять условию L_э l /4n, где L_э радиус экранирования или дебаевский радиус материала слоя, длина волны модулируемого излучения, n показатель преломления слоя. Источник модулируемого и приемник модулированного излучения располагают со стороны этой поверхности. Путем выбора величины и направления электрического и магнитного полей, изменяя концентрацию свободных носителей заряда в пластине, добиваются совпадения плазменной частоты материала пластины с частотой модулируемого излучения, в этом случае коэффициент отражения будет минимальным. Затем увеличивая концентрацию свободных носителей еще на определенную величину, добиваются увеличения коэффициента отражения пластины, и тем самым происходит модуляция интенсивности ИК-излучения.

Недостатки прототипа заключаются в следующем. Большая энергия управляющего воздействия затрачивается, во-первых, на изменение концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковой пластине, чтобы обеспечить совпадение плазменной частоты материала пластины с частотой модулируемого излучения, а во-вторых, на дополнительное изменение концентрации, обусловленное уже непосредственной модуляцией ИК-излучения. Узкий частотный диапазон модулируемого излучения определяется диапазоном изменяемых концентраций носителей заряда полупроводникового материала пластины и возможностями для этого скрещенных электрического и магнитного полей. Сложность обусловлена необходимостью нанесения специально подобранного слоя на поверхность полупроводниковой пластины.

В настоящем изобретении модулируемым электромагнитным излучением облучают поверхность полупроводниковой пластинки в условиях возбуждения этим излучением на поверхности пластины поверхностных поляритонов, в этом случае интенсивность возбудившего поверхностные поляритоны излучения будет минимальна, затем изменяя концентрацию свободных носителей заряда в приповерхностной области пластины, нарушают условия возбуждения поверхностных поляритонов на частоте модулируемого излучения и тем самым увеличивают интенсивность модулируемого электромагнитного излучения.

Такой способ может быть реализован устройством, содержащим пластину из полупроводника с собственной проводимостью, плоскости которой имеют разные скорости поверхностной рекомбинации, а толщина сравнима с диффузионной длиной носителей заряда, помещенной в скрещенные магнитное и электрическое поля, перед поверхностью которой с меньшей скоростью рекомбинации расположена призма нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) на расстоянии меньше , где длина волны модулируемого излучения, n показатель преломления призмы, v угол падения модулируемого излучения в призме НПВО.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

На границе раздела полупроводникового кристалла, диэлектрическая проницаемость которого e со средой с диэлектрической проницаемостью e₁ в диапазоне частот когда e < -₁, в результате взаимодействия электромагнитного излучения с элементарными возбуждениями кристалла (фононы, плазмоны и т.п.) возможно распространение поверхностных поляритонов (ПП) поверхностных p-поляризованных электромагнитно-механических возбуждений, переносящих энергию вдоль границы раздела, поля которых в каждой среде затухают при удалении от границы раздела.

Взаимодействие электромагнитного излучения с плазмонами полупроводникового кристалла при возбуждении ПП описывается функцией диэлектрической проницаемости кристалла вида

,

где e высокочастотная диэлектрическая проницаемость кристалла, плазменная частота кристалла, N концентрация свободных носителей, m^* их эффективная масса.

Для поверхностных плазмон-поляритонов полупроводникового кристалла, граничащего с воздухом ₁ 1, область существования определяется условием () < -1, которое справедливо для частот

, а дисперсионная зависимость плазменных ПП, т.е. связь частоты ПП с их волновым вектором k_x имеет вид, показанный на фиг. 1.

Волновой вектор ПП , где с скорость света в вакууме, поэтому ПП не взаимодействуют с обычным светом, т.к. в этом случае невозможно одновременно выполнить законы сохранения энергии и импульса. Для возбуждения и изучения ПП существуют различные методы, позволяющие одновременно обеспечить совпадение частоты и волнового вектора внешнего излучения с частотой и волновым вектором ПП, например метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), метод комбинационного рассеяния света (KРС), метод дифракционной решетки и др. При всем их различии для них всех характерно изменение энергии излучения в случае выполнения условий возбуждения ПП.

Для возбуждения плазменных ПП авторы использовали метод НПВО, в котором поверхность полупроводникового кристалла освещают электромагнитным излучением с частотой через призму НПВО с показателeм преломлений n расположенную на расстоянии d от поверхности кристалла, причем излучение в призме распространяется под углом который больше критического (фиг. 2), и измеряют коэффициент отражения. При полном внутреннем отражении в зазор между основанием призмы и поверхностью пластины проникает поле возбуждающей волны, затухающее по экспоненциальному закону, которое, если и при совпадении частоты и волнового вектора возбуждающей волны, равного , с частотой и волновым вектором ПП, взаимодействует с ПП, т.е. энергия внешнего излучения перекачивается в энергию ПП, происходит нарушение полного внутреннего отражения. Обычно в методе НПВО нарушают полное внутреннее отражение при возбуждении ПП, или подбирая частоту возбуждающего ПП излучения при постоянном угле падения этого излучения в призме НПВО (сканирование по частоте), или подбирая угол падения при фиксированной частоте возбуждающего ПП излучения (сканирование по углу). В обоих случаях зависимость коэффициента НПВО R от частоты или угла имеет вид, показанный на фиг. 3. Минимумы в этих зависимостях соответствуют частоте возбужденного ПП в случае сканирования по частоте или углу, при котором происходит возбуждение ПП в случае сканирования по углу. Изменяя частоту внешнего излучения и угол падения его в призме НПВО, можно обоими способами возбуждать ПП из всего частотного диапазона существования ПП.

Авторы установили, что плазменные ПП можно также возбуждать методом НПВО, сканируя не только частоту возбуждающего ПП излучения или угол его падения в призме НПВО, но и концентрацию неравновесных носителей заряда в приповерхностной области полупроводникового кристалла. Т.к. в случае изменения концентрации неравновесных носителей заряда при фиксированных частоте и угле падения внешнего излучения происходит изменение величины коэффициента НПВО R, то это позволяет осуществить модуляцию возбуждающего ПП излучения.

Для определения влияния концентрации неравновесных носителей заряда на величину коэффициента нарушенного полного внутреннего отражения в условиях возбуждения плазменных ПП воспользуемся результатами работы [4] в которой определен коэффициент отражения в методе НПВО в условиях возбуждения фононных ПП.

В случае возбуждения плазменных ПП коэффициент НПВО R будет иметь вид

,

где





коэффициент затухания плазмонов.

Используя эти формулы, строим зависимость коэффициента отражения R от концентрации свободных носителей N при фиксированных частоте и угле падения возбуждающего ПП излучения в призме НПВО. Положение минимума в этом спектре характеризует концентрацию свободных неравновесных носителей заряда, при которой частота и волновой вектор внешнего излучения соответствуют частоте и волновому вектору ПП, возбуждаемым в пластине.

На фиг. 4 для примера показан спектр НПВО плазменных ПП кристалла JnSb при частоте возбуждающего ПП излучения = 85см^-1 и угле падения излучения в призме НПВО = 48⁰.

Таким образом, изменяя концентрацию свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводникового кристалла, за счет возбуждения плазменных ПП можно осуществлять модуляцию электромагнитного излучения.

Однако такой прямой процесс модуляции характеризуется теми же недостатками, что и прототип, а именно: большими энергетическими затратами и узким частотным диапазоном модулируемого излучения.

Поэтому для устранения этих недостатков авторы предлагают сочетать преимущества возбуждения плазменных ПП методом НПВО (сканирование по углу) и метод HПВO (сканирование по концентрации).

Действительно, если имеется полупроводниковая пластина с концентрацией равновесных носителей заряда N и необходимо произвести модуляцию электромагнитного излучения с частотой , то, изменяя угол падении этого излучения в призме НПВО, добиваются возбуждении ПП, пусть это произойдет при угле ₁ (фиг. 5, сплошная кривая 1).

Затем создают неравновеcные носители заряда в приповерхностной области с концентрацией N+N, для которых угол возбуждения ПП будет уже другой ₂ (фиг. 5, штрихованная кривая 2), т.е. нарушается условие возбуждения ПП на равновесных носителях, в результате чего происходит модуляция отраженного луча.

Авторы установили, что в этом случае для осуществления модуляции необходимые изменения концентрации N зависят от концентрации равновесных носителей заряда, и, например, для достижения 90% коэффициента модуляции, используя пластину из JnSb, имеют значения N = 0,03N.

Необходимые изменения концентрации свободных носителей достигаются в устройстве, блок-схема которого представлена на фиг. 6. Устройство содержит пластинку 1 полупроводника, магнит 2, источник управляющего напряжения 3, источник модулируемого излучения 4,5, призму НПВО 6, грань полупроводниковой пластины с малой скоростью поверхностной рекомбинации 7.

В процессе работы устройства изменение концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике с собственной проводимостью (т.е. генерация неравновесных носителей) осуществляется путем воздействия на кристалл скрещенных электрического E и магнитного H полей (магнитоконцентрационный эффект).

В условиях магнитоконцентрационного эффекта полупроводниковая пластина, толщина которой сравнима с диффузионной длиной носителей заряда, помещается в постоянное магнитное поле, а электрическое поле, как правило, прикладывается в виде импульсов. При одновременном воздействии скрещенных EхH полей на широкие грани кристалла под действием силы Лоренца выносятся носители заряда. Указанные грани пластины предварительно обрабатываются так, что на одной из них скорость поверхностной рекомбинации минимальна, на другой максимальна. В такой ситуации заметные отклонения концентрации носителей от равновесного значения наблюдаются именно у поверхности, имеющей малую скорость поверхностной рекомбинации. Здесь при одном направлении поля E концентрация увеличивается, при другом направлении уменьшается. Отклонение возрастает с увеличением произведения EхН. Отметим, что неравновесные носители у поверхности кристалла с малой скоростью поверхностной рекомбинации распределяются по определенному закону, зависящему от параметров полупроводника и величины внешнего воздействия, влияющего на процессы диффузионно-полевых потоков электронов и дырок.

Таким образом, в предлагаемом изобретении модуляция электромагнитного излучения любой частоты происходит путем нарушения условий возбуждения на модулируемой частоте плазменных ПП через создание неравновесных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника, что уменьшает основные энергетические расходы предлагаемого способа. Так как частота возбуждаемых ПП зависит от угла падения в призме НПВО возбуждающего ПП излучения (дисперсия ПП, фиг. 1, где ), то возбуждение ПП на модулируемой частоте осуществляется путем подбора угла падения излучения в призме НПВО, что значительно проще, чем изменение концентрации свободных носителей заряда. Это и обусловливает основное уменьшение энергозатрат предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Потому что в прототипе энергия затрачивается как на измене концентрации свободных носителей заряда в пластине, чтобы обеспечить совпадение плазменной частоты материала с частотой модулируемого излучения, необходимое изменение концентрации при этом равно



так и непосредственно уже на модуляцию электромагнитного излучения, дополнительное изменение концентрации носителей заряда при достижении, например, 90% коэффициента модуляции К равно



Для пластины из JnSb у которого = 15,7, N" 0,02N.

Полные же энергетические модуляционные затраты в прототипе определяются суммарным изменением концентрации свободных носителей заряда N_n = N + N".

В прототипе почти во всем частотном диапазоне модулируемых излучений N >> N", тогда как величина изменения носителей заряда в предлагаемом изобретении N N"(N = 0,03N, N" 0,02N). Cледовательно, N<<N_n.

Другая причина, по которой в предлагаемом изобретении происходит уменьшение энергетических затрат по сравнению с прототипом, связана с тем, что указанные изменения концентрации носителей N_n и N необходимо производить в приповерхностных слоях полупроводниковой пластины, определяемые в прототипе глубиной проникновения обычной объемной волны, равной , где длина волны модулируемого излучения, e диэлектрическая проницаемость материала полупроводниковой пластины, в предлагаемом изобретении глубиной проникновения поверхностной волны, равной

, где n показатель преломления призмы НПВО. Очевидно, что всегда



Расширение частотного диапазона модулируемого излучения происходит из-за того, что в заявляемом изобретении этот диапазон определяется областью существования плазменных ПП , тогда как в прототипе он определяется диапазоном изменяемых концентраций носителей заряда в материале собственного полупроводника пластины, к тому же он еще может сужаться возможностями скрещенных магнитного и электрического полей, используемых для этих целей.

Упрощение в изобретении обуславливается тем, что для достижения широкого частотного диапазона модулируемого излучения в предлагаемом изобретении нет необходимости использовать полупроводниковую пластину со специально нанесенным на нее полупроводниковым слоем, обладающим определенными, строго выдержанными, характеристиками (например, толщина, тип проводимости и т.д.).

Пример.

Модуляция электромагнитного излучения в условиях предлагаемого изобретения проводилась с использованием лазера на парах тяжелой воды, работающего в непрерывном режиме (выходная мощность 400 мВт). Модулирующим элементом служила пластина антимонида индия с собственной проводимостью, концентрация равновесных носителей N 2х10¹⁶ см^-3, температура T 300 К. Пластина обрабатывалась таким образом, что на одной из ее граней скорость поверхностной рекомбинации была порядка 10³ см/с (отражающая грань), на другой 2х10⁵ см/с. Пластина отражающей гранью была обращена к основанию призмы НПВО, выполненной из полиэтилена, и установлена на расстоянии 0,1 мм от нее. Полупроводниковый кристалл помещался в магнитное поле напряженностью 5 кЭ. Электрическое поле величиной до 1 В подавалось в виде прямоугольных импульсов, что обеспечивало изменение поверхностной концентрации носителей на величину N = 0,05N. В качестве согласующего устройства между генератором электрических импульсов Г5-54 и кристаллом использовался эмиттерный повторитель. Излучение лазера с длиной волны 176 мкм направлялось на призму (фиг.6) отраженный луч регистрировался фотоприемником, выполненным на основе JnSb и охлажденным до 4 К. Сигнал с фотоприемника поступал на осциллограф С8-17.

Лазер и призма с кристаллом располагались таким образом, чтобы плоскость колебаний электрического ректора световой волны была перпендикулярна граням призмы НПВО (p-поляризация).Далее устанавливался угол падения излучения на основание призмы, соответствующий минимальной интенсивности отраженного луча, и осуществлялась модуляция излучения электрическим полем.

В результате достигались максимальные значения коэффициента модуляции более 90% а минимальное время срабатывания 10^-8 с.

Видно, что в изобретении для достижения 90% модуляции необходимо изменить концентрацию свободных носителей заряда до величины 2,03х10¹⁶ см^-3 (прикладываемое напряжение E 0,8 В, Н 5 кЭ), тогда как в прототипе для достижения тех же значений коэффициента модуляции на той же длине волны необходимо изменять концентрацию носителей до величины 1,7х10¹⁷ см^-3 (прикладываемое напряжение E 5 B, Н 5 кЭ).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет модулировать электромагнитное излучение в широком частотном диапазоне, затрачивая небольшие энергии, просто в применении, обеспечивает большие величины коэффициента модуляции, обладает большим быстродействием, не требует уникального оборудования и может быть широко использовано в народном хозяйстве, особенно в системах оптической обработки информации, а также при реализации оптической связи.