3.4. Управляемые лазерами оптоэлектронные затворы

Ультракороткие лазерные импульсы могут быть использованы для быстрого переключения оптоэлектронных приборов. Принцип действия таких ключей мало отличается от принципа действия оптических затворов, однако вместо оптических сигналов переключаются электрические напряжения или микроволновые электромагнитные сигналы. При этом производятся и измеряются самые короткие электрические сигналы. Первый

подобный прибор был разработан в 1975 г. Аустоном [3.25] (рис. 3.16). Основой его является пластина из высокоомного кремния , на нижнюю и верхнюю грани которой напылены проводящие алюминиевые полоски. Верхняя полоска имеет в середине разрез в виде щели. На эту щель фокусируется ультракороткий световой импульс, который поглощается кремнием и создает большое число электронно-дырочных пар. (В [3.25] для переключения применялась вторая гармоника излучения мкм) неодимового лазера на стекле.)

Рис. 3.16. Управляемый лазером оптоэлектронный ключ (по [3.25]). 1 — вход; включение осуществляется импульсом с мкм (2), выключение импульсом с мкм (3); 4 — выход; 5 — кремниевая пластина; 6 — алюминиевые полоски.

Таким образом, в щели образуется хорошо проводящий слой. Слева к пластине присоединен кабель, подводящий постоянное напряжение. За время, примерно равное длительности импульса, это напряжение передается в кабель, присоединенный к пластине справа. Для хорошей работы затвора темновое сопротивление щели должно быть много больше волнового сопротивления кабеля , в то время как сопротивление щели при облучении должно быть малым по сравнению с Сопротивление определяется формулой, в которую входят количество образованных в щели и равномерно распределенных пар носителей заряда ширина щели и эффективная подвижность носителей

Предполагая, что все проникающие в пластину кванты света поглощаются в приповерхностном слое и с квантовым выходом образуют пары носителей заряда и что длительность светового импульса с энергией мала по сравнению с временем жизни носителей, имеем

Тогда

(Для исключения ошибки коэффициент отражения от кремниевой пластины обозначен здесь через в отличие от электрического сопротивления Для кремния на длине волны мкм Очевидно, что для выполнения условия и получения сопротивления порядка 1 Ом при и ширине щели 0,2 мм достаточен импульс с энергией порядка Заметим, что после снятия включающего оптического импульса проводимость пластины уменьшается лишь вследствие релаксационных процессов.

Рис. 3.17. Управляемый лазером оптоэлектронный ключ. 1 — вход; выключение (2) и включение (3) производятся импульсами с мкм; 4 — выход.

В кристаллическом кремнии эта релаксация имеет место только за счет электронно-дырочной рекомбинации и протекает сравнительно медленно не). По этой причине электрический импульс имеет короткий передний фронт, но спадает в течение длительного времени. Поэтому Аустон применил второй световой импульс на основной волне излучения -лазера, который снижал время выключения до пикосекунд. В отличие от второй гармонической составляющей света, которая вследствие большого значения коэффициента поглощения возбуждает лишь приповерхностный слой кремния, свет основной волны обладает сравнительно большой проникающей способностью мм) и образует поэтому электронно-дырочные пары во всей толще пластины вплоть до нижней проводящей полоски. Эта плазма из носителей заряда создает между верхней и нижней полосками короткое замыкание, в результате чего сигналы с левого кабеля на правый больше не проходят, а отражаются. Вместо выключающего импульса с другой длиной волны может применяться импульс той же длины волны, что и включающий. Этот импульс фокусируется на вторую щель, увеличение проводимости которой создает короткое замыкание с заземленной полоской (рис. 3.17). В целом, однако, применение двух оптических импульсов создает большие экспериментальные трудности. Поэтому предпочтительнее применять в затворах полупроводники с очень быстрой релаксацией проводимости. Для этого с успехом применяются главным образом GaAs

и кремниевые пластины с большим количеством дефектов [3.26-3.29]. Время жизни носителей заряда сильно сокращается. Высокая концентрация дефектов достигается быстрым напылением на диэлектрические подложки или ионной имплантацией. При этом в слое в отличие от кристалла образуются многочисленные разрывы связей, которые называют «свободными связями». Эти связи обеспечивают быстрый захват нелокализованных носителей заряда, что исключает необходимость процесса рекомбинации. В почти аморфных слоях по этой причине проводимость уменьшается с временем релаксации порядка Следует, однако, иметь в виду, что аморфизация снижает подвижность носителей заряда, в результате чего чувствительность приборов уменьшается.

Рис. 3.18. Измерение времени включения оптоэлектронным корреляционным методом. а — устройство: два размещенных друг за другом затвора; б- зависимость от времени задержки проинтегрированного по времени сигнала на выходе устройства.

Если нужно определить временную зависимость процесса включения, то необходимо опять воспользоваться соответствующими оптическими методами измерения ультракоротких промежутков времени. Уже в [3.25] Аустон применил для этой цели представленную на рис. 3.18 оптическую корреляционную технику. При этом измеряется электрический сигнал на выходе прибора в зависимости от времени задержки между импульсами, действующими на первую и вторую щели. Второй затвор обеспечивает здесь стробоскопическую метку (см. п. 3.1.2).

Описанные оптоэлектронные затворы находят различные применения. Использование предельно коротких электрических импульсов позволяет управлять электронными приборами в диапазоне ультракоротких интервалов времени и производить испытание этих приборов. При этом удалось также получить киловольтные импульсы с крутыми передними фронтами и очень высокой воспроизводимостью формы [3.30, 3.31]. Такие импульсы позволяют, например, управлять с высокой точностью ячейками Поккельса и развертывающими устройствами.

Широкая полоса пропускания (до Гц) примененных приборов позволила, кроме того, производить переключение и модуляцию электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне

Рис. 3.19. Схема экспериментальной установки для переключения с помощью импульсов лазера на красителе с синхронной накачкой (по см. гл. 6. 1 — ВЧ-генератор; 2 — акустооптический синхронизатор мод; 3 — — лазер на красителе; 5 — стробирующая головка; 6 — фотодиод; 7 — оптоэлектронный ключ; 8 — блок питания; 9 — стробоскопический осциллограф. К волноводной структуре прикладывалось постоянное напряжение порядка 100 В. Индуцированный в щели электрический сигнал подавался с помощью короткого коаксиального кабеля на вход В стробоскопической головки с временем нарастания Для управления стробоскопической головкой на его вход А поступал сигнал с лавинного фотодиода, возникавший под действием ответвленной части излучения лазера накачки (криптоновый лазер), также работавшего в режиме синхронизации мод с частотой следования импульсов 76 МГц. Импульсы излучения лазера на красителе (пиковая мощность длительность — частота следования 76 МГц) фокусировались линзой мм) на активную поверхность детектора . В этом устройстве оптоэлектронный ключ может быть использован и как быстродействующий фотоприемник. Его чувствительность имеет порядок на средней мощности излучения лазера.

В работе [3.35] электрооптический затвор использовался для исследования быстродействующим стробоскопическим методом сигналов, снимаемых с вакуумного фотодиода.

Большинство описанных выше оптоэлектронных затворов, управляемых лазерным излучением, переключаются световыми импульсами с энергией порядка Однако путем резкого уменьшения ширины зазора (10—30 мкм) удалось создать приборы, переключаемые импульсами с энергией порядка наноджоулей, генерируемыми лазерами на красителях с синхронизацией мод (см. гл. 5, 6) [3.27, 3.29]. Предельно малая длительность

этих импульсов позволяет уменьшить время переключения до значений менее На рис. 3.19 показана измерительная установка, использованная в [3.29]. Применяя такую установку, Аустон (см. [28]) создал оптоэлектронный стробоскопический осциллограф, с помощью которого была измерена с точностью около импульсная функция отклика фотоэлектрического затвора на полевом транзисторе из GaAs.

Субпикосекундное электрооптическое стробоскопическое устройство было разработано Вальдманисом, Моро и Габелем [3.36] и улучшено Мейером и Моро [3.37]. В нем напряжение, включаемое оптоэлектронным ключом с лазерным управлением, подается непосредственно на электрооптический кристалл, воздействующий на поляризационные характеристики пробных световых импульсов. Такое стробоскопическое устройство, включающее фотопроводник из кристалла GaAs с примесью электрооптического кристалла представлено на рис. 3.20, а. На верхней поверхности обоих кристаллов размещена компланарная полосковая линия с разрывом в виде зазора на полупроводниковом кристалле. Включение электрических импульсов производится импульсами, генерируемыми фемтосекундным лазером и фокусируемыми на зазор в полосковой линии. Таким образом замыкается цепь с источником постоянной с. 50 В и образуется включающий сигнал с напряжением около Это напряжение создает электрическое поле, глубина проникновения которого в электрооптический кристалл одного порядка с расстоянием между полосками линии. Это расстояние, как и ширина полосок, составляет лишь 50 мкм. Возникающий электрооптический эффект почти безынерционно управляет пробным импульсом света. Кристалл, подобно тому, как показано на рис. 3.14, помещается между двумя скрещенными поляроидами. Это значит, что в отсутствие управляющего поля пробный сигнал отсутствует на выходе. Он наблюдается лишь при поступлении управляющих импульсов на ячейку Поккельса. Стробоскопический метод, как и выше, основан на многократном повторении эксперимента, при котором временные интервалы между моментами прохождения возбуждающего и пробного импульсов ступенчато меняются, а прочие параметры остаются неизменными. Выходной сигнал в зависимости от временного сдвига между возбуждающим и пробным импульсами показан на рис. Видно, что устройство обеспечивает весьма быстрый рост выходного сигнала. Разрешенное время нарастания (измеренное между значениями, составляющими 10 и от максимума сигнала) составляет Столь высокая скорость нарастания обеспечена благодаря компактности миниатюризованной конструкции и в особенности широкополосности компланарной полосковой линии.

Рис. 3.20. Электрооптический стробоскопический метод (по [3.36]). а — экспериментальное устройство с электрооптическим кристаллом и компланарной полосковой линией; электрический отклик ключа на кристалле Время нарастания сигнала от 10 до составляет

Временное разрешение существенно зависит от времени пробега электрического сигнала через перетяжку пробного пучка и времени пробега пробного импульса через область наведенного поля. Время пробега может быть уменьшено за счет лучшей фокусировки и уменьшения перетяжки пробного пучка. Размеры наведенного поля зависят от расстояния между электродами и их ширины. Использование этих обстоятельств и применение экстремально коротких световых импульсов позволит в дальнейшем достичь времени нарастания ниже