Радиотехнические системы для контроля параметров оптического излучения на основе эффектов взаимодействия электромагнитных волн СВЧ диапазона с фотовозбужденным полупроводником

В настоящее время уделяется значительное внимание разработке новых систем и методов измерения оптических сигналов. Необходимость дальнейшего прогресса в этой области радиотехники определяется появлением все новых когерентных источников излучения, отличающихся разнообразием выходных параметров сигналов (большим быстродействием, высокой мощностью излучения в импульсе, различным спектральным диапазоном), а также развитием новых информационных систем в направлении увеличения скорости передачи и преобразования информации.

Использование возможностей радиотехнических систем СВЧ диапазона, особенностей взаимодействия СВЧ излучения миллиметрового (ММ) и субмиллиметрового (СММ) диапазонов с полупроводниковым фотоприемным элементом позволяют, по нашим данным, расширить возможности полупроводниковой фотометрии в плане существенного повышения чувствительности и быстродействия фотоприемников и создания принципиально новых типов приборов, например, неохлаждаемых фотоприемников ИК диапазона на узкозонных полупроводниках.

В настоящее время полупроводниковые измерители широко используются в системах приема и обработки информации, системах управления практически во всем оптическом диапазоне, отличаются высокой надежностью и экономичностью. К их очевидным достоинствам относится возможность микроминиатюризации, а так же возможность использования при создании информационно-измерительных систем современной интегральной технологии.

Вместе с тем, в весьма важном ИК — диапазоне существует ряд сложностей в использовании полупроводниковых измерительных систем. Существующие полупроводниковые измерители ИК — диапазона на узкозонных {1п8Ъ, ОаБЬ, 1пР и других) и легированных полупроводниках (например Ое + Аи) имеют малое быстродействие и, как правило, требуют охлаждения до температуры жидкого азота (77 К), что резко ограничивает их функциональные возможности и области применения. На сегодняшний день проблема создания быстродействующих неохлаждаемых полупроводниковых измерителей в диапазоне 4−10 мкм и более длинноволновой области является одной из фундаментальных проблем в построении информационно-измерительных оптических систем [1].

В связи с этим, важной задачей полупроводниковой фотометрии сигналов является существенное повышение быстродействия полупроводниковых фотоприемников, создание новых функциональных элементов для быстродействующих интегральных систем обработки информации.

Широко известный в полупроводниковой фотометрии метод измерения параметров фотовозбужденного полупроводника на постоянном токе имеет очевидные ограничения. Традиционные фотоприемники, как фотосопротивления и фотодиоды, не могут обеспечить высокого быстродействия в силу малой подвижности ионизированных носителей в полупроводниках, необходимости измерения тока фотоионизированных носителей как интегральной характеристики воздействия на полупроводник светового потока. Современное состояние проблемы указывает на необходимость привлечения к её решению новых физических принципов и измерительных систем для анализа состояния фотовозбужденного полупроводника.

Одно из наиболее перспективных направлений в этой области состоит в использовании современной технологии измерения параметров вещества при помощи коротких радиоволн, эффектов объемного взаимодействия слабого коротковолнового излучения с фотовозбужденной (фотоионизированной) полупроводниковой плазмой. Это направление работ относится к невозмущающим бесконтактным методам измерения оптического излучения.

Основное достоинство и отличие данного явления состоит в том, что слабая СВЧ волна «регистрирует» фотовозбужденные электроны фактически в момент их перехода в зону проводимости. Современный уровень развития СВЧ техники ММ и СММ диапазонов позволяет, согласно литературным данным и полученным нами результатам проводить подобные измерения за время, не превышающее 10″ 9 секунд, в области частот 25−140 ГГц. Изучение взаимодействия электромагнитных колебаний СВЧ диапазона с фотовозбужденной плазмой полупроводников представляет большой интерес, так как в этом случае возможно использование характерных для коротких волн явлений плазменного и циклотронного резонансов в неравновесной фотовозбужденной плазме, что позволяет создавать измерительные системы с принципиально новыми характеристиками и функциональными возможностями. Принципиальное отличие всех этих систем состоит в сочетании традиционных достоинств полупроводниковой фотометрии с возможностями радиотехнических измерительных систем в коротковолновой части СВЧ диапазона.

Важнейшим достоинством этого принципа измерений является объемный характер взаимодействия СВЧ поля с полупроводником. СВЧ волна отражается, фактически, от распределенной по объему полупроводника плазмы ионизированных неравновесных носителей. В данном случае слабое СВЧ излучение не оказывает влияния на характер пространственного распределения фотоионизированной плазмы в объеме фотоприемного элемента, что позволяет значительно повысить точность измерений и чувствительность полупроводниковых фотоприемников.

Цель диссертационной работы.

В соответствии с изложенным, цель диссертационной работы состоит в исследовании возможности применения современных измерительных радиотехнических систем коротковолновой части СВЧ диапазона с фотоприемными полупроводниковыми элементами, с целью создания нового типа быстродействующих измерительных приборов характеристик импульсного оптического излучения, новых функциональных элементов интегральных радиотехнических систем.

Актуальность работы состоит в следующем:

Проблема создания быстродействующих полупроводниковых измерителей параметров импульсного оптического излучения является одной из фундаментальных проблем в построении информационно-измерительных оптических систем, создании новых функциональных элементов для быстродействующих интегральных систем обработки информации. Характерная для взаимодействия СВЧ излучения коротковолнового диапазона возможность прямого, бесконтактного измерения параметров фотовозбужденного полупроводника, наличие специфических для СВЧ нелинейных эффектов взаимодействия радиоволн с фотоприемным полупроводниковым элементом, обуславливают перспективность и актуальность проведения исследований в этой области.

Для достижения поставленной цели исследования в основу диссертации положено решение следующих теоретических и экспериментальных задач:

1. Анализ возможности применения современных радиотехнических систем коротковолновой части СВЧ диапазона для измерения параметров оптического излучения на основе взаимодействия электромагнитного излучения с фотовозбужденным полупроводником.

2. Исследование особенностей взаимодействия слабого СВЧ излучения ММ и СММ диапазона с фотоприемным элементом в свободном пространстве и в специальных волноведущих системах.

3. Разработка новых радиотехнических систем для измерения оптических сигналов, которые могут служить основой при создании новых функциональных элементов для быстродействующих интегральных систем обработки информации.

Научные результаты:

Рассмотрены принципы создания нового класса радиотехнических систем, сочетающих традиционные достоинства полупроводниковой фотометрии с возможностями радиотехнических измерительных систем в коротковолновой части СВЧ диапазона.

2. Обоснована физическая модель взаимодействия коротковолнового СВЧ излучения с фотовозбужденным полупроводником в свободном пространстве и в специальных волноведущих системах, в рамках которой определены электродинамические характеристики полупроводникового фотоэлемента.

3. Определены зависимости фазы и модуля коэффициента отражения СВЧ волны от интенсивности падающего на фотоприемный элемент оптического излучения, проведены конкретные расчеты для полупроводниковых элементов из Сс18 и Сс18е.

4. В рамках соответствующих электродинамических моделей (двухслойного и трехслойного полупроводниковых волноводов), рассмотрены основы создания измерителей параметров оптического излучения на эффектах запредельного взаимодействия СВЧ излучения с полупроводниковым фотоэлементом.

5. Проведен теоретический анализ возможности использования специфических эффектов взаимодействия коротких радиоволн с фотоприемным полупроводниковым элементом (в области плазменного и циклотронного резонанса).

6. Создан экспериментальный образец СВЧ-интерферомет-рического измерителя интенсивности оптического излучения, построена экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения параметров коротких лазерных импульсов (<10″ 9 с) на основе разрабатываемых принципов.

7. Предложены приборные решения для измерения характеристик оптического излучения на основе запредельного взаимодействия СВЧ излучения с полупроводниковым фотоэлементом и проведены экспериментальные исследования, подтверждающие высокую эффективность этого типа приборов. Как показывают проведенные исследования, новый принцип создания фотоприемных электродинамических систем на запредельных волноводах, порождает серию конструктивных решений, легко сопрягаемых с различными измерительными системами.

Практическая значимость полученных результатов заключается в обосновании возможности создания новых измерительных оптических систем, сочетающих принципы СВЧ-радиотехники и полупроводниковой фотометрии. Разработанные устройства могут быть использованы для измерения с высокой точностью коротких импульсов лазерного излучения. Созданные по результатам исследований экспериментальные макеты СВЧ фотоприемников не имеют отечественных или зарубежных аналогов, конструкции разработанных устройств защищены авторскими свидетельствами на изобретение. Обоснована перспективность использования разработанных радиотехнических систем для создания нового класса быстродействующих широкополосных фотоприемников, пригодных для использования в качестве функциональных элементов интегральных измерительных систем.

Задачи, поставленные в ходе диссертационного исследования, решались в рамках фундаментальных и поисковых НИР, а так же ряда грантов в области фундаментальных исследований, выполненных в межфакультетской лаборатории спектрального анализа СГТУ и в НИИ механики и физики СГУ.

Таким образом, на защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1. На основе измерительных радиотехнических систем СВЧ диапазона с полупроводниковым фотоэлементом возможно создание нового типа полупроводниковых фотоприемных систем, существенно расширяющих (в плане повышения чувствительности и быстродействия) возможности полупроводниковой фотометрии.

2. Применение метода ВКБ для расчета взаимодействия СВЧ поля с полупроводниковым фотоэлементом в волноведущих системах позволяет определить основные электродинамические характеристики фотоионизированного полупроводника, установить взаимосвязь отражательных характеристик фотоионизированной плазмы с характеристиками падающего на полупроводник оптического излучения.

3. СВЧ интерферометр коротковолнового СВЧ диапазона, отражающими зеркалами которого служат фотоприемные полупроводниковые элементы, позволяет проводить измерения параметров коротких лазерных импульсов (до 10″ 9 е.).

4. Запредельные измерительные системы с фотоприемным полупроводниковым элементом, позволяющие существенно повысить чувствительность СВЧ полупроводниковых фотоприемников, построить новые функциональные малогабаритные измерительные элементы, допускающие микроминиатюризацию и использование в составе интегральных схем.

5. Построены лабораторные макеты основных конструктивных решений СВЧ полупроводниковых фотоприемных систем (на основе СВЧ интерферометра коротковолнового диапазона и измерительных систем на запредельных волноводах). Определены рабочие характеристики и быстродействие этого нового класса измерительных оптических систем.

Личный вклад автора выразился в выборе методов исследования, проведении теоретических расчетов, постановке экспериментов и анализе полученных результатов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих Всесоюзных и международных конференциях и семинарах:

— Международной научно — технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП -96, АПЭП — 98, г. Саратов),.

— Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 1997).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 5 статьях и тезисах докладов, автором получен патент на изобретение.

12 и свидетельство на полезную модель. Ссылки на соответствующие публикации и доклады приведены в тексте диссертации.

Основные положения диссертации изложены в отчетах по двум грантам в области фундаментальных исследований, в материалах описания к изобретению (Патент № 2 124 733 от 10 января 1999 г.) и полезной модели (№ 4618 от 16 июля 1997 г.), а также научных публикациях [99−103,106].

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах каф. ТОЭ, каф. физики СГТУ и НИИМФ СГУ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы 147 страниц, в которой приведен 41 рисунок.

Список литературы

 — 106 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе теоретически и экспериментально исследованы основные принципы использования современных измерительных радиотехнических систем коротковолновой части СВЧ диапазона для создания нового типа быстродействующих измерительных приборов характеристик импульсного оптического излучения, новых функциональных элементов интегральных радиотехнических систем.

Показано, что использование радиотехнических систем коротковолнового диапазона открывает принципиально новые возможности для конструирования полупроводниковых измерителей параметров оптического излучения, исследован класс электродинамических эффектов, имеющих место при взаимодействии коротковолнового СВЧ излучения с фотоионизированным полупроводниковым элементом в волноводных системах.

В диссертации решен ряд задач, позволяющих наметить основные направления создания полупроводниковых СВЧ фотоприемников в широком спектральном диапазоне.

— проведен систематический анализ возможности применения современных радиотехнических систем коротковолновой части СВЧ диапазона для измерения параметров оптического излучения на основе взаимодействия электромагнитного излучения с фотовозбужденным полупроводником;

— исследованы основные закономерности взаимодействия слабого СВЧ излучения ММ и СММ диапазона с фотоприемным элементом в специальных волноведущих системах;

— разработан ряд конструктивных решений приборов для измерения характеристик оптических сигналов, которые могут служить основой при создании новых функциональных элементов для использования в составе быстродействующих систем обработки информации.

В результате выполнения диссертационной работы:

1. Развита теория взаимодействия коротковолнового СВЧ излучения с фотовозбужденным полупроводником в свободном пространстве и в специальных волноведущих системах (СВЧ-интерферометрах и запредельных волноводных элементах), определены зависимости фазы и модуля коэффициента отражения СВЧ волны от интенсивности падающего на фотоприемный элемент оптического излучения, проведены конкретные расчеты для полупроводниковых элементов из и Сс13е.

2. Дан систематический анализ возможности использования эффектов взаимодействия радиоволн коротковолнового диапазона с фотоприемным полупроводниковым элементом. Рассмотрены, характерные исключительно для радиотехники коротковолновой части СВЧ диапазона волн принципы измерения характеристик оптического излучения вблизи резонансных СВЧ частот (плазменная частота, циклотронная частота).

3. Создан экспериментальный образец СВЧ-интерферометрического измерителя интенсивности оптического излучения, построена экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения параметров коротких лазерных импульсов (<10″ 9 с) на основе разрабатываемых принципов.

4. Теоретически и экспериментально исследован класс эффектов «запредельного» взаимодействия СВЧ поля с полупроводниковым фотоэлементом специальным образом расположенным в волноведу-щей системе. В данном случае, в отличие от измерительных систем на основе СВЧ-интерферометра, СВЧ волна «сильно» взаимодействует с фотоионизированным полупроводником, расположенным параллельно узкой стенке волновода и смещенным к его центру.

5.В рамках соответствующих электродинамических моделей (двухслойного и трехслойного полупроводниковых волноводов), рассмотрены теоретические основы создания измерителей параметров оптического излучения на запредельных волноводах и проведены экспериментальные исследования, подтверждающие высокую эффективность этого типа приборов.

Полученные в ходе выполнения работы научные результаты можно рассматривать как развитие научного направления в области исследования принципов применения современных радиотехнических систем для исследования свойств вещества, в частности для бесконтактного измерения параметров фотоионизированного полупроводникового элемента на СВЧ.

Исследованные электродинамические эффекты и закономерности взаимодействия слабого коротковолнового излучения с фотоприемным элементом в специальных волноведущих системах имеют практическое значение с точки зрения создания нового класса радиотехнических систем, сочетающих традиционные достоинства по.

136 лупроводниковой фотометрии с возможностями радиотехнических измерительных систем в коротковолновой части СВЧ диапазона.

В заключении хочу выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю Чупису Владимиру Николаевичу, уважаемым консультантам Сосунову Владимиру Александровичу и Антонову Виктору Васильевичу, много сделавшему для существенного улучшения данной диссертации, коллегам по работе за постоянную помощь и обсуждение результатов работы, а также зав. лабораторией НИИМФ СГУ Сомову Александру Юрьевичу за содействие в постановке экспериментальных исследований.