Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011 - файл n1.doc

Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011
скачать (10094 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc10094kb.21.10.2012 15:38скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6

Глава 4.Управление излучением



4.1. Модуляция лазерного излучения.

Модуляция лазерного излу­чения — это изменение одного или нескольких параметров излучения по заданному закону во времени или (и) в пространстве. Закон изменения модулируемого параметра излучения обычно соответствует изменениям передаваемой с помощью лазерного излучения информации. Другими словами: если лазерное излучение используется в качестве носителя информации, то информацию можно вводить в различные параметры лазерного излучения.

Например, если информация вводится в интенсив­ность излучения (меняется информация—меняется интенсивность), то говорят о модуляции интенсивности.

Частотная модуляция лазерного излучения связана с изменением частоты излучения в соответствии с изме­нениями информации, фазовая модуляцияс изменением фазы, моду­ляция поляризации — с изменением направления поляризации.

Функ­цию модуляции излучения выполняют модуляционные устройства, среди которых выделяют:

1. модуляторы—устройства для изменения по заданному закону во времени одного или нескольких параметров лазерного излучения (интенсивности, фазы, частоты или поляризации);

  1. дефлекторы — устройства для изменения по заданному закону во времени положния пучка лазерного излучения;

  2. пространственно-временные модуляторы (ПВМ) — устройства для изменения во времени по заданному закону пространственного рас­пределения интенсивности, фазы или поляризации пучка лазерного излучения.

Таким образом, ПВМ объединяют в одном устройстве функ­ции модулятора и дефлектора, что позволяет наиболее полно «загру­зить» информацией лазерное излучение в ПВМ.

Физические основы модуляции лазерного излучения. Наи­большее применение в модуляционных устройствах когерентной оптоэлектроники нашли электрооптические эффекты и магнитооптический эффект Фарадея, а также различные фотоэффекты.

Электрооптические эффекты характеризуются возникновением опти­ческой анизотропии (неравномерности) в веществе под воздействием внешнего электрического поля, в результате чего изменяется показатель преломления вещества; Появление оптической анизотропии- следствие изменения диэлектрической проницаемости вещества под действием электрического поля.

Электрооптические эффекты сопровождаются обычно явлением двойного лучепреломления, т. е. расщеплением проходящего света на два луча. Эти лучи (называемые обыкновенным и необыкновенным) распространяются с различными скоростями и по-разному поляризова­ны. Если в таких кристаллах выделить два взаимно-перпендикулярных направления х, у, то показатели преломления света вдоль каждого из этих направлений будут, вообще говоря, различными. Обозначим пока­затели преломления по каждой из осей nx и ny. Тогда кристаллы, в ко­торых показатели преломления по каждой из осей различны (nx ? ny), будем называть двухосными. Кристаллы, в которых направления х и у оказываются оптически однородными, т. е. nx = ny =no , называются одноосными.

При распространении луча вдоль оси z в одноосном кристалле скорость света не зависит от характера поляризации. Если же к кри­сталлу прикладывается электрическое поле, то равенство nx = ny на­рушается и кристалл становится двуосным. При этом скорости распро­странения световых волн, поляризованных по осям х и у, также начи­нают различаться.

Показатель преломления для обыкновенной волны по оси г изме­няется линейно с напряженностью электрического поля:

no(E) =no+ rПE

где rП - электрооптическая постоянная Поккельса;

Е - напряженность электрического поля;

no -показатель преломления в отсутствие поля.
Это изменение показателя преломления, пропорциональное напря­женности электрического поля, и составляет суть эффекта Поккельса, называемого линейным электрооптическнм эффектом.

Под влиянием внешнего поля одноосный исходный кристалл приобретает свойства двухосного, становится оптически анизотропным- вследствие изменения коэффициента преломления. При прохождении световой волной неко­торого пути I в таком кристалле возникает разность фаз между обык­новенным и необыкновенным лучами:

По мере проникновения излучения в глубь кристалла изменяется разность фаз между сигналами с различной поляризацией. В результате поляризация выходных и входных сигналов оказывается различной. В зависимости от длины пути в кристалле и, соответственно, получив­шейся разности фаз поляризация выходного сигнала будет изме­няться так, как это показано в табл. .

Таблица 4.1

Зависимость поляризации выходного луча от сдвига фаз обыкновенного и необыкновенного лучей


В соответствии с взаимной ориентацией направлений распростра­нения луча z и напряженности электрического поля Е выделяют про­дольный и поперечный эффекты Поккельса.

Находит применение в оптоэлектронике и электрический эффект Керра. Здесь зависимость показателя преломления от напря­женности электрического поля описывается соотношением

no(E)=no+ rK E2, (16)

где rK электрооптическая постоянная Керра.

Выражение (16) показывает, что эффект Керра характеризуется квадратичной зависимостью фазового сдвига от напряженности поля. Поэтому его называют квадратичным электрооптическим эффектом.

Магнитооптический эффект — это. изменение некоторых оптических параметров вещества под действием магнитного поля.

Магнитооптический эффект Фарадея может быть объяснен разли­чием в скоростях распространения оптических волн разной поляризации. Предположим, что линейно поляризованная монохроматическая свето­вая волна падает на вещество, помещенное в постоянное магнитное поле с индукцией В; направление распространения волны совпадает с направлением поля. Известно, что линейно поляризованная волна мо­жет быть представлена в виде суммы двух волн разной поляризации. Магнитное поле делает различными показатели преломления для этих волн. В результате после прохождения пути L в веществе возникает разность фаз этих волн пропорциональная магнитной индукции.

Среди фотоэффектов, приводящих к изменению оптических, пара­метров вещества, можно выделить фотохромный, фотокристаллический, а также эффект фотопроводимости.

Фотохромный эффект заключается в изменении окраски или про­зрачности вещества (неорганических стекол со специальными примеся­ми, органических полимеров) под действием светового потока коротко­волнового диапазона (ультрафиолетовое или коротковолновое видимое излучение). Для возвращения вещества в прежнее состояние требуется нагрев или воздействие светового потока с длиной волны ИК-Диа-пазона.

Фотокристаллический эффект наблюдают, например, в аморфных полупроводниках: под действием света высокой интенсивности происхо­дит кристаллизация вещества и, соответственно, изменение коэффициен­та преломления.

Эффект фотопроводимости. Изменение проводимости под воздействием потока излучения сказывается на опти­ческих параметрах вещества, в частности на показателе преломления, что позволяет использовать этот эффект для модуляции излучения.
Оптические модуляторы.

Модуляция излучения необходима для ввода информации в оптический сигнал. В соответствии с уравне­нием световой волны (1) информацию можно вводить в амплитуду, частоту, фазу и направление вектора поляризации. Далее модулирован­ный оптический сигнал поступает на фотоприемник. Современные фото­приемники реагируют только на интенсивность излучения. Поэтому наи­более распространенным видом оптических модуляторов являются мо­дуляторы интенсивности.

При использовании других типов модуляторов необходимо предварительное преобразование модулированного каким-либо образом сигнала в модулированный по интенсивности.

С помощью модулятора обеспечивается внешняя модуляция лазер­ного излучения, т. е. модуляция лазерного излучения вне излучателя лазера.

Возможна и внутренняя модуляция, которая осуществляется в са­мом лазере, путем изменения параметров лазерного активного элемента или резонатора. Внутренняя модуляция в полупроводниковых лазерах осуществляется за счет изменения режима накачки.

В газовых лазерах внутренняя модуляция возможна за счет изменения добротности опти-ческого резонатора. Следует подчеркнуть, что объединение в одном устройстве генерации и модуляции, как правило, ухудшает параметры лазерного излучения. Возникают побочные эффекты, которые приводят к снижению когерентности излучения.

В полупроводниковых лазерах, у которых внутреннее управление интенсивностью излучения наиболее просто и эффективно, внутренняя модуляция обычно вызывает рост порога генерации, ухудшение модового состава излучения.


Рис.4.1. Структурная схема электрооптического моду­лятора
Рассмотрим устройство электрооптического модулятора (рис.4.1). Основу модулятора составляют два кристалла одинаковых размеров. Кристаллографические оси кристаллов взаимно перпендикулярны, что обеспечивает компенсацию температурного влияния на модуляцию: тем­пературные изменения как бы вычитаются при прохождении оптическо­го сигнала последовательно через оба кристалла.

Как видно из рис.13, модулятор работает на электрооптическом эффекте Поккельса поперечного типа. Изменяя напряжение управления Uупр, т. е. изменяя напряженность электрического поля Е, можно регулировать фазу выходного оптического сигнала по отноше­нию к входному. Для преобразования изменения фазы в изменения интенсивности излучения на выходе электрооптического модулятора на­ходится анализатор.

Рис.4.2. Статическая характеристика пропускания оп­тического модулятора интенсивности:

а — без напряжения смешения; б — с напряжением смещения
График зависимости интенсивности излучения на выходе модулятора от управляющего напряжения (в отн. единицах) изображен на рис. 4.2. Это управляющая характеристика модулятора. Процесс модуляции на рис. 4.2,а происходит без постоянного электрического смещения (Uсм=0), которое прикладывается к тем же электродам, что и переменное Uупр. Модулятор при этом имеет низкую эффективность: при значительном изменении управляющего напряжения интенсивность излучения на выходе модулятора практически неизменна.

Если к модулятору приложить постоянное смещение (Uсм= U?/2 рис. 4.2,6), то амплитуда переменной составляющей и глубина моду­ляции существенно увеличиваются. Модулятор работает на крутом участке управляющей характеристики.

Граничные частоты такого устройства составляют 108 -109 Гц. Ка­чество модулятора иногда характеризуют добротностью, которая равна отношению граничной частоты модулятора к мощности управления:

Dм=fгрупр. (17)

Для электрооптических модуляторов это значение добротности близко к 10 МГц/мВт.

Рис. 4.3. Структурная схема магни­тооптического модулятора:

1- активная среда; 2 - катушка; 3 - поляризатор; 4 - анализатор;

5 — линзы
Для изготовления модуляторов могут использоваться и магнито­оптические вещества, такие, например, как ферритгранаты или трех­бромистый хром. Принцип действия магнитооптических модуляторов (рис. 4.3) основан на эффекте Фарадея. При прохождении света через активную среду, помещенную в магнитное поле, наблюдается поворот плоскости поляризации луча. Анализатор обеспечивает преобразование изменений направления поляризации в изменении амплитуды.

По быстродействию магнитооптические модуляторы значительно уступают электрооптическим (граничная частота обычно не превышает 104 Гц). Кроме того, для их управления требуется большая напряжен­ность магнитного поля. Ограничивают применение магнитооптических модуляторов также малая глубина модуляции и сильное поглощение оптического излучения.

Тонкопленочные и полупроводниковые модуляторы.

Для при­менения в микрооптоэлектронике наиболее перспективны тонкопленоч­ные модуляторы, в которых используются те же физические эффекты, что и в объемных модуляторах. В качестве материалов, использующих электрооптический эффект, применяют ниобат и танталат лития и твер­дые растворы на их основе. При создании магнитооптических тонко­пленочных модуляторов удается повысить граничную частоту по сравнению с объемным аналогом прибора (до 108 Гц). Оба вида модуляторов в тонкопленочном исполнении характеризуются низким на­пряжением управления (единицы вольт), что делает их совместимыми с микроэлектронными устройствами. Исключительно перспективны для развития микрооптоэлектроники полупроводниковые модуляторы. Линейный электрооптический эффект в полупроводниковых р-п переходах возникает в связи с тем, что при приложении обратного напряжения в области объемного заряда пере­хода изменяется концентрация свободных носителей. Это ведет к мо­дуляции диэлектрической проницаемости, а следовательно, и пока­зателя преломления п. Для объемных модуляторов этот эффект труд­но применять, так как излучение было бы необходимо вводить в узкую зону вдоль р-п перехода. В тонкопленочных структурах такое требо­вание легко обеспечивается. При использовании таких полупроводни­ков, как GaAs, GaP, управляющее, напряжение составляет единицы вольт.

Компания IBM сделала важный шаг на пути создания сверхмощных компьютеров, построив ультракомпактный электрооптический модулятор Маха-Зендера, способный переваривать 10 гигабит в секунду.

Модулятор создан в исследовательском центре IBM (T.J. Watson Research Center). Главное преимущество новинки состоит даже не в высокой скорости работы (хотя и она важна), а в рекордных размерах: устройство примерно в 100-1000 раз компактнее, чем аналогичные по принципу действия и назначению модуляторы, созданные ранее, утверждают авторы разработки.

Модулятор обладает входами: цифровым электрическим и для лазерного луча, а выдаёт он импульсы света, отражающие поток двоичных нулей и единиц на входе. Применение этому устройству разработчики видят не столько в системах оптоволоконной связи, сколько в качестве составной части центрального процессора будущего.

4.2. Дефлекторы.

Дефлектор представляет собой устройство, предназначенное для изменения пространственного положения лазерно­го луча. Наибольшее применение, особенно в голографических системах хранения и обработки информации, нашли электрооптические и акусто-оптические дефлекторы.

Типичный электрооптический дефлектор представлен на рис.4.4. Он представляет собой многокаскадное устройство.

Рис. 4.4. Структурная схема электроопти­ческого дефлектора
Каждый каскад состоит из оптического модулятора поляризации 1 и двулучепреломляющего кристалла 2. С помощью модулятора обеспечивается плавное изменение поляризации излучения по заданному закону. В кристалле 2 излучение раздваивается, и так в каждом каскаде.

В зависимости от комбинации управляющих напряжений можно получить 2i дискретных положений в пространстве луча на выходе дефлектора (где i—число каскадов дефлектора). Общее число положе­ний луча в пространстве, достижимое в электрооптическом дефлекторе, определяется соотношением

N=?D/?, (18)

где N -число положений луча; ? максимальный угол отклонения луча; D -апертура дефлектора; ? - длина волны.

Важным достоинством электрооптического дефлектора является высокое быстродействие: в устройстве с N=1000 время переключения составляет около 0,1 мкс. При увеличении N и соответственно числа каскадов дефлектора быстродействие ухудшается. Оптимальной являет­ся такая конструкция дефлектора, в которой при заданном N обеспе­чиваются минимальная мощность управления Рупр и минимальное вре­мя переключения tпер. Оптимизация достигается фокусировкой лазер­ного луча, проходящего через дефлектор, и уменьшением паразитной емкости электрооптических кристаллов. Таким образом, качество де­флектора, как и модулятора, можно характеризовать добротностью Dф:



В дефлекторах используются те же материалы, что и в модулято­рах. Например, широко применяются кристаллы ниобата лития LiNbO3 и др. Большое количество кристал­лов в дефлекторе выдвигает повы­шенные требования к параметрам исходных материалов и конструкции: требуется высокая прозрачность, а также исключительная точность обработки и монтажа каждого кри­сталла.

Находят применение в оптоэлектронике также акустооптические дефлекторы (рис.4.5).

Рис.4.5. Структурная схема акустооптического дефлектора

1 -активная среда; 2 - пьезоэлектриче­ский преобразователь - возбудитель; 3 - акустический поглотитель; 4 - возбужденная дифракционная решетка.
Принцип действия такого дефлектора основан на том, что при прохождении звуковой волны, создаваемой пьезоэлектрическим преобразователем, в активной среде возникают изменения показателя преломления, соответствующие обла­стям сжатия и разрежения. В результате образуется некоторая решетка, состоящая из областей с разными показателями преломления. Пе­риод изменения показателя преломления в решетке равен длине аку­стической волны, а его амплитуда пропорциональна амплитуде акусти­ческой волны и зависит от свойств активной среды. При попадании оптического излучения на такую решетку происходит его дифракция, т. е. изменение положения в пространстве. Управление пространствен­ным положением излучения достигается изменением частоты акустиче­ских колебаний и соответствующей перестройкой дифракционной ре­шетки.

Эффективность акустооптического материала определяется отноше­нием доли рассеянного излучения к мощности акустических колебаний. Наиболее перспективны, с этой точки зрения, такие кристаллические ма­териалы, как вульфинит (РЬМоО4), парателлурит (ТеО2), ниобат лития LiNbO3) и некоторые другие.

Очевидно, что перестройка акустооптического дефлектора, т. е. до­стижение нового состояния дифракционной решетки, происходит лишь тогда, когда акустическая волна новой частоты пройдет через всю активную среду. Этим требованием определяется невысокая для оптоэлектроники (до 106 Гц) граничная частота акустооптических дефлек­торов.


Рис. 4.6. Дифракция Рамана-Ната (a) и Брэгга (b) при акустооптическом эффекте: 1 – поглотитель упругой волны; 2 – кристалл; 3 – пезопреобразователь; 4 – генератор; 1,2,0,-1,-2 – порядок дифракции
Акустооптический эффект, заключаются в том, что при распространении света в среде, в которой присутствует ультразвуковая волна, происходит дифракция света. Дифракцию света на ультразвуковых волнах качественно можно объяснить следующим образом. Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле или жидкости, создает локальные сжатия и разряжения среды. Вследствие эффекта фотоупругости из – за механических напряжений возникают изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, изменения показателя преломления среды. Таким образом, в среде образуются периодические слои с отличающимися показателями преломления. Эти слои движутся со скоростью звука и следуют друг за другом на расстоянии половины длины звуковой волны. При прохождении света через такую слоистую структуру возникает дифракция (рис.4.6).

Использование акустооптического эффекта для анализа спектров дает возможность выделения узкой полосы частот из широкого спектра и перестройки ее в больших пределах путем изменения частоты ультразвука. В акустооптических фильтрах используют дифракцию Брэгга. Изменением частоты звука добиваются изменения длины волны прошедшего через кристалл света.

4.3. Пространственно-временные модуляторы (ПВМ).

Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) предназначены для преобразования изображений по спектру, когерентности и мощности. Они разрабатывались прежде всего для построения когерентно-оптических Фурье-спектроанализаторов изображений. Наиболее высокие характеристики ПВМС по всей совокупности требований, особенно по быстродействию, были получены на структурах металл—диэлектрик—полупроводник—жидкий кристалл (МДП—ЖК) из полуизолирующего арсенида галлия с монополярной диффузией. В таких приборах достигнута разрешающая способность ~100 лин/мм без разделения полупроводника на отдельные элементы методами фотолитографии.

В состав ПВМС (рис. 4.7) входят полупроводниковая пластина (толщина 100 мкм, диаметр 3—5 см) и жидкокристаллическая ячейка с ориентирующими покрытиями (толщина ЖК — 10 мкм). ЖК-ячейки отделяются от полупроводника диэлектрическим зеркалом и поглощающим черным слоем. Все эти слои помещены между прозрачным стеклом и волоконно-оптической пластиной (ВОП) толщиной 1 см с прозрачными проводящими электродами. ВОП на входе ПВМС требуется для его стыковки с малогабаритными электронно-лучевыми трубками и электронно-оптическими преобразователями (ЭОП), которые на выходе снабжены также ВОП. При этом достигаются минимальные потери энергии излучения люминофора.

Рис. 4.7. Конструкция ПВМС на основе структуры МДП—ЖК:

1 — волоконно-оптическая пластина; 2 — прозрачный электрод;

3 — оптический клей; 4 — полупроводниковая пластина;

5 — поглощающий слой; 6 — диэлектрическое зеркало;

7 — ориентирующий слой; 8 — диэлектрические прокладки;

9 — жидкий кристалл; 10 — прозрачный электрод; 11 — стеклянная подложка; 12 — омический контакт; 13 — входное изображение; 14 — выходное изображение; 15 — луч опроса
К ПВМС предъявляются высокие требования телевизионных стандартов, что требует использования технологии обработки поверхности слоев с точностью l/10 по всей апертуре (30—50 мм), где l — длина волны считывающего света (рис.4.8).


Рис. 4.8. Схема технологического процесса изготовления ПВМС
Конструктивно МДП-структура формируется на входной стеклянной подложке со стороны нанесенного на нее прозрачного электрода. Светомодулирующая часть представляет собой ЖК-ячейку (ЖКЯ), опорными стенками которой являются поверхности пластины полупроводника и выходной стеклянной подложки со стороны второго прозрачного электрода (см. рис. 4.7).

Основные технологические операции при использовании монокристаллической полупроводниковой пластины сводятся к следующему.

Формирование МДП-структуры

Неразборная конструкция структуры предусматривает приклейку полупроводниковой пластины к полированной стеклянной подложке с очищенной стороной, а обработка второй пластины осуществляется в составе склейки. Такой способ обработки позволяет получить слой полупроводника толщиной до 20 мкм без ущерба его механической прочности. На полированную сторону полупроводника вакуумным способом последовательно наносятся диэлектрический слой двуокиси кремния и слой прозрачного электрода из окиси индия. Такую структуру приклеивают оптическим клеем ОК-77Ф к стеклянной подложке со слоем окиси индия. Электрический контакт между прозрачными электродами осуществляется с помощью капли токопроводящего клея ТПК-1, нанесенной по периферии полупроводниковой пластины. Для склеивания пластин наиболее подходит по своим температурным характеристикам клей ОК-77Ф (минимальная усадка 3,6 %, интервал рабочих температур 130-170 °С). Этот клей не вызывает заметной деформации после нагрева до 80 °С, что обусловливает потребность достаточно низкотемпературной технологии последующих операций.

Диэлектрические зеркала в ПВМС требуются для предотвращения засветки полупроводника считывающим светом. Они представляют собой интерференционный отражающий фильтр на заданную длину волны считывания и состоят из чередующихся слоев толщиной l/4 с разными показателями преломления [3]. В качестве материала для диэлектрических зеркал в области 0,43—0,9 мкм выбраны двуокись кремния (n = 1,45) и двуокись титана (n = 2,46), которые позволяют создавать зеркала с коэффициентом отражения 99,6 % с относительной полушириной Dl/l = 0,26.

Для выполнения требований низкотемпературной технологии зеркала наносили методом термического испарения в вакууме при нагреве подложки до 80 °С. Первым на полупроводник наносится слой двуокиси кремния, затем слой двуокиси титана, а затем последовательно 14 слоев.

Улучшение границы раздела арсенид галлия — диэлектрическое зеркало достигается нанесением на полупроводник промежуточного слоя теллурида кадмия толщиной 1,5 мкм, являющегося одновременно светоблокирующим слоем для оптической изоляции полупроводника от прошедшего через зеркало считывающего света.

Эксперименты показали, что слой теллурида кадмия защищает полупроводник от нежелательного влияния встроенного в диэлектрическом зеркале заряда.

Изготовление ЖКЯ

Качество преобразованного изображения во многом зависит от технологических факторов: толщины ЖК-слоя, плоскопараллельности, плоскостности, упорядоченности молекул ЖК, наличия газовых включений и др.Технология сборки ЖКЯ предусматривает выбор инертных материалов, создание опорных поверхностей с однородной ориентацией молекул ЖК, получение плоскопараллельного зазора заданной толщины, заливку ЖК и герметизацию ЖКЯ по периметру.

Для создания ориентирующих слоев сначала на подложку наносится раствор органического материала (поливиниловый спирт — ПВС), который методом центрифугирования равномерно распределяется по поверхности и после термической обработки превращается в устойчивую полимерную пленку. Затем эта пленка подвергается натирке вращающейся капроновой щеткой.

В результате натирки на полимерной пленке образуется микрорельеф в виде бороздок, который обеспечивает надежную ориентацию молекул ЖК. Требуемая толщина зазора ЖКЯ получается с помощью калиброванных прокладок из фторопласта толщиной 10 мкм. Способность фторопласта к деформации позволяет регулировать плоскопараллельность зазора и одновременно визуально контролировать ее интерференционным методом.

Для герметизации ЖКЯ, до заливки ЖК, по периметру ячейки наносится клей-герметик, оставляя нетронутым заливочное отверстие. Для заливки ЖК используется вакуумный способ. На подготовительном этапе размещают ванну с ЖК и ячейку заливочным отверстием вниз в вакуумной камере. После достижения определенного вакуума жидкий кристалл подводится к заливочному отверстию, а затем в камеру вводится атмосферный воздух для “запрессовывания” ЖК в ячейку.

Используемые в ПВМС подложки подвергаются тщательной полировке и отмывке. При этом предъявляются жесткие требования: плоскопараллельность или отклонение от равномерности по толщине не хуже чем 0,2 мкм, отклонение поверхности от плоскости или неплоскостность не хуже (0,1—0,5) N и 0,05 N, глубина рельефа поверхности не более 0,025—0,05 мкм, что соответствует 14-му классу шероховатости; чистота обрабатываемой поверхности должна соответствовать классу Р11. В полупроводниковых пластинах должна быть минимальная глубина нарушенного слоя (Ј 0,5 мкм).

Используя традиционные методы шлифовки, отмывки и химико-динамической полировки, удается удовлетворить вышеприведенным требованиям.Серьезным препятствием на пути получения высококачественных ПВМС с большой апертурой (» 5 см) является несовершенство монокристаллов арсенида галлия: дислокации, примесные неоднородности, собственные точечные дефекты структуры и их скопления. Кристаллы диаметром менее 3 см более однородны и на их основе удается создать высококачественные приборы.

В целом в технологии изготовления ПВМС используется 47 технологических операций, 28 единиц оборудования, 56 материалов, 42 единицы технологической оснастки. Трудоемкость изготовления одного прибора составляет ~400 н.-ч. Процент выхода годных приборов 10,6 %. Основную долю трудоемкости составляют операции шлифовки и полировки, так как при штучном производстве затрачивается много ручного труда и требуется индивидуальный подход.

ПВМС, изготовленные по данной технологии, имеют следующие параметры:

фоточувствительность (= 0,6 мкм), Вт/см2 10-6

разрешающая способность, лин/мм 30

быстродействие, с 10-2

контраст преобразованного изображения 60

дифракционная эффективность, % 10

напряжение питания, В 30

частота, Гц 104

апертура, мм 30

Различают ПВМ с электрическим и оптическим управлением. Пространственно-вре­менной оптический модулятор, у которого закон изменения во времени пространственного распределения одного из параметров лазерного излу­чения задается подаваемыми на его входы электрическими сигналами, называется ПВМ с электрическим управлением. Для ПВМ с оптическим управлением изменение параметров лазерного излучения" задается подаваемым на его вход пучком оптического излучения.

Быстродействие ПВМ характеризуется временем релаксации tрел — интервалом времени, в течение которого завершается переходный про­цесс изменения оптического параметра после подачи управляющего сиг­нала. Если действие управляющего сигнала прекращается, то происхо­дит восстановление оптических свойств веществ модулятора с той или иной скоростью. Длительность этого процесса характеризуют временем восстановления tвoc. Различают три режима восстановления:

1) режим модуляции, при котором длительности процессов восста­новления и релаксации примерно одинаковы tвос = tрел;

2) режим переключения с памятью релаксационного типа-восста­новление происходит за время много большее, чем время релаксации tвос > tрел;

3) режим релаксации с долговременной памятью — в этом случае оптические свойства вещества не восстанавливаются: они сохраняются в измененном виде (tвос ??).

Можно выделить два способа электрического управления простран­ственно-временными модуляторами.

Первый способ применяют в ПВМ матричного типа: поверхность такого ПВМ разбита на ячейки, к каждой из которых приложено элек­трическое поле заданной напряженности. Таким образом, напряжен­ность управляющего электрического поля зависит от пространственных координат.

Второй способ состоит в использовании сканирующего по поверх­ности модулятора электронного луча. Интенсивность электронного луча изменяется во времени по заданному закону управления.

ПВМ с электрическим управлением обычно служат для преобразо­вания электрического сигнала в двумерный оптический сигнал. С по­мощью ПВМ, например, осуществляются вывод информации и после­дующая запись ее в оптическом запоминающем устройстве (для ЭВМ с оптическим запоминающим устройством).

ПВМ с оптическим управлением служат для преобразования одних оптических сигналов в другие. Различают два основных способа опти­ческого управления: матричный и проекционный. В первом случае управляющий сигнал в виде импульсов излучения различной амплиту­ды подают на отдельные элементы матрицы модулятора, изменяя по заданному закону управления оптические свойства элемента. Во вто­ром — управляющий оптический сигнал проецируется в виде заданного изображения на всю поверхнойъ модулятора. ПВМ с оптическим управлением применяют также для ввода и вывода информации в оптических запоминающих устройствах. Особенно перспективны голографические запоминающие устройства. Они харак­теризуются высокой надежностью хранения информации, большой информационной емкостью и высоким быстродействием.

Кроме того, на основе ПВМС реализованы операции вычитания изображений, псевдоцветного кодирования, усиления телевизионных изображений и проектирования их на экран коллективного пользования, получения объемных телевизионных изображений и записи голограмм удаленных объектов, построения безопасных малогабаритных дисплеев, эффективного управления мощным лазерным потоком для лечения онкологических заболеваний, подавления в изображениях ярких слепящих участков без уменьшения яркости наблюдаемых объектов в ближних областях.

1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации