УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ФАЗОМОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Данное техническое решение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания высокочувствительных адаптивных фотоприемников оптических фазомодулированных сигналов.
Детектирование оптических фазомодулированных сигналов является основным этапом при решении таких задач, как измерение малых механических колебаний объектов, скоростей движения. Практическая реализация устройств, использующих интерференцию сигнального и опорного световых лучей, осложняется медленным дрейфом фазы интерференционной картины. Указанный дрейф фазы возникает вследствие неконтролируемых смещений и деформаций оптических элементов, образующих интерферометр, тепловых потоков воздуха и т.п.
В интерферометрической схеме с использованием стандартного фотодиода в качестве фотоприемника [1] подобный дрейф интерференционной картины вызывает смещение рабочей точки детектора и, как следствие, изменение амплитуды и фазы выходного электрического сигнала. Для устранения этого эффекта в схему интерферометра обычно добавляют пьезоэлектрический преобразователь с прикрепленным зеркалом, компенсирующий фазовое рассогласование интерферирующих лучей. Сигналом ошибки для преобразователя служит изменение постоянной составляющей напряжения на фотодиоде. Недостатком такой схемы является сложность изготовления и настройки: необходима компенсирующая цепь, обладающая линейной передаточной характеристикой и устойчивая к самовозбуждению, а также требуется корректировка волновых фронтов световых лучей с точностью ~λ/10, что затрудняет применение устройства для детектирования спекл-полей, рассеянных реальными диффузно отражающими объектами. Кроме того, данная схема чувствительна к амплитудным шумам источника света.
Проблема автоматической подстройки рабочей точки фотоприемника может быть решена с использованием реверсивных фоторефрактивных материалов [2]. В таких схемах фоторефрактивный кристалл осуществляет преобразование фазовой модуляции оптического сигнала в амплитудную посредством смешения сигнального и опорного лучей на фазовой решетке показателя преломления, записанной этими же лучами. Последующее детектирование амплитудно-модулированного сигнала
производится с помощью обычного фотодиода. Решетка объемного заряда и связанная с ней решетка показателя преломления являются динамическими и способны отслеживать медленные смещения интерференционной картины. Это обеспечивает постоянство фазового соотношения между сигнальным и продифрагировавшим опорным лучами света и, как следствие, позволяет реализовать подстройку рабочей точки детектора без введения цепи обратной связи. Недостатками данной схемы являются: непрямое преобразование оптического сигнала в электрический, усложняющее оптическую часть схемы;
необходимость использования высококачественных фоторефрактивных кристаллов, обладающих линейным электрооптическим эффектом, а также чувствительность к амплитудным шумам лазера.
Известно техническое решение детектирования оптических фазомодулированных сигналов с использованием адаптивных фотоприемников на основе эффекта нестационарной фотоэдс [3], взятое нами в качестве прототипа. Данное техническое решение заключается в освещении фотоприемника интерференционной картиной, образованной сигнальным и опорным лучами света, и регистрации нестационарного фототока на частоте фазовой модуляции сигнального луча ω (Фиг.1). Появление переменного фототока связано с периодическими смещениями распределений фотопроводимости и объемного заряда относительно друг друга [4]. Как и в предыдущей схеме адаптивные качества фотоприемника на основе эффекта нестационарной фотоэдс обеспечиваются динамическим характером записываемых решеток фотопроводимости и объемного заряда. По сравнению с упомянутыми схемами прототип обладает следующими преимуществами: фотоприемник на основе эффекта нестационарной фотоэдс является адаптивным и не требует цепи обратной связи, фотоприемник осуществляет прямое преобразование оптического сигнала в электрический, фотоприемник позволяет детектировать оптический сигнал со сложным волновым фронтом, в том числе спекл-картину, в фотоприемнике на основе эффекта нестационарной фотоэдс амплитудные шумы лазера переводятся из разряда аддитивных в разряд мультипликативных шумов, что смягчает требования к качеству источников лазерного излучения.
Основным недостатком прототипа является присутствие контактной составляющей сигнала в реальных образцах фотоприемника, представляющих собой полупроводник с двумя металлическими электродами. Так как контактный сигнал чувствителен к положению интерференционной картины и изменяется при медленном сдвиге последней, его наличие негативно сказывается на адаптивных свойствах фотоприемника (Фиг.2).
Целью предлагаемой полезной модели является подавление контактной составляющей сигнала и соответствующее улучшение адаптивных свойств фотоприемников на основе эффекта нестационарной фотоэдс.
ω
0
0
0
0
Указанная цель достигается путем освещения фотоприемника интерференционной картиной, сформированной фазомодулированными опорным и сигнальным лучами света, и регистрации электрического тока J, возникающего на частоте фазовой модуляции сигнального луча ω. Новым является то, что устанавливается дополнительный фазовый модулятор опорного или сигнального луча, осуществляющий фазовую модуляцию с амплитудой Δ и частотой  Ω, определяемыми из соотношений J(Δ)=0 и  Ω<ω/Δ, а детектирование сигнала производится селективным вольтметром (спектр-анализатором) в полосе частот ω'<2 Ω, где J(x) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, ω- частота среза, разделяющая участок линейного роста и плато на амплитудно-частотной характеристике нестационарной фотоэдс.
Рассмотрим генерацию объемного и контактного фототока в адаптивном фотоприемнике, представляющем собой полупроводник с двумя электродами (Фиг.1). Предположим, что фотоприемник освещается интерференционной картиной, образованной плоскими световыми волнами:
0
где I - средняя интенсивность света, m, К и Ψ - контраст, пространственная частота и начальная фаза интерференционной картины, δ и ω - амплитуда и частота фазовой модуляции сигнального луча, Δ и  Ω - амплитуда и частота дополнительной фазовой модуляции. Следует заметить, что дополнительная фазовая модуляция может вводиться как опорный так и в сигнальный луч. Будем далее считать, что
v
C1
C2
C
C
L
Эта ситуация соответствует детектированию слабого высокочастотного сигнала на фоне достаточно сильной низкочастотной помехи. При таком освещении в объеме кристалла возникает объемная нестационарная фотоэдс (J), а в приконтактных областях -контактная фотоэдс (J и J). Для простоты будем предполагать, что контакты одинаковые. Объем фотопроводника имеет сопротивление R и емкость С, а контакты - R и С. Во внешней цепи фотоприемник нагружен на сопротивление R. Данным допущениям соответствует эквивалентная схема, показанная на Фиг.3. Предположим, что в рассматриваемом частотном диапазоне полное сопротивление кристалла намного превосходит нагрузочное сопротивление и полное сопротивление контактов:
Тогда выражение для комплексной амплитуды тока с частотой ω, протекающего во внешней цепи, можно представить как
V
C1
C2
ω
ω
ω
Здесь J , J , J  - комплексные амплитуды гармоник соответствующих токов. Другие гармоники тока во внешней цепи выражаются аналогично.
C1
C2
С1
C2
ω
ω
Выражение для контактного сигнала (J -J ) может быть легко получено, если предположить, что фототок пропорционален интенсивности света в приконтактной области, т.е. J(t)=ξI(-L/2,t), J(t)=ξI(L/2,t), где L - межэлектродное расстояние. Коэффициент ξ определяется эффективной площадью электродов, коэффициентом поглощения света и квантовым выходом фотопроводимости. В этом случае имеем [5]:
n
Здесь J(x) - функция Бесселя первого рода n-го порядка. Для гармоники на n-ой боковой частоте получаем аналогичное выражение:
V
V
ω
ω+n Ω
Приведем также выражения для комплексных амплитуд объемного сигнала на несущей J  и боковых частотах J . Подробный расчет этих амплитуд представлен в работе [5], здесь же ограничимся упрощенными формулами, полученными в приближении (2). Так для амплитуды объемного нестационарного фототока, возбуждаемого на несущей частоте ω, имеем [5, 6]:
где
D
B
0
D
0
B
- комплексная амплитуда нестационарного фототока в отсутствие дополнительной модуляции, S - площадь электродов, Е=(kТ/е)K - диффузионное поле, σ - удельная фотопроводимость кристалла, L - диффузионная длина электронов, ω - частота среза, разделяющая участок линейного роста и плато на амплитудно-частотной характеристике нестационарной фотоэдс, k - постоянная Больцмана, Т - температура, e - заряд электрона. Амплитуда гармоник на вторых боковых частотах (ω±2 Ω) определяется следующим образом [5]:
Численные расчеты показывают, что для четных гармоник с частотами (ω±2n Ω, n∈N) их величина зависит от номера приблизительно как . Гармоники фототока на нечетных боковых частотах (ω± Ω, ω±3 Ω,...) отсутствуют.
0
0
0
0
Отметим значительное различие спектрального состава контактного и объемного фототоков в случае двухчастотного возбуждения. В контактном сигнале амплитуды гармоник на боковых частотах пропорциональны амплитудам соответствующих гармоник входного (светового) сигнала. В частности, для амплитуд Δ, являющихся корнями функции Бесселя J(Δ)=0 (Δ=2.405, 5.520,...), в спектре колебаний интенсивности света и в спектре контактного фототока отсутствуют гармоники с частотой ω. Аналогичного результата можно добиться, выбрав достаточно большое Δ, такое что J(Δ)≈0, при этом, очевидно, спектр контактной фотоэдс будет содержать большое число гармоник. Для сигнала объемной нестационарной фотоэдс такой простой связи с входным (световым) сигналом нет. При выполнении условия Δ<ω/ Ω в спектре сигнала преобладает гармоника на несущей частоте (7), нечетные боковые частоты отсутствуют, а амплитуды четных гармоник очень быстро убывают с ростом их номера (9). Практический интерес представляет случай детектирования сигнала фотоэдс на фоне низкочастотной помехи ( Ω≪ω). Такой выбор частоты приводит к тому, что даже при Δ>1 спектр объемного фототока остается чрезвычайно узким. Кроме того, из (7) следует, что гармоника объемного сигнала с частотой ω не исчезает при Δ=2.405, 5.520...
0
Указанная разница в спектрах контактного и объемного сигналов может быть использована для их разделения. Действительно, выбрав амплитуду дополнительной фазовой модуляции Δ=2.405, можно подавить контактный фототок на частоте основного сигнала ω. Для того чтобы влияние дополнительной модуляции на объемную нестационарную фотоэдс было минимальным, частота дополнительной модуляции должна быть достаточно низка:  Ω<ω/Δ. При использовании селективных вольтметров или спектр-анализаторов с полосой пропускания ω'<2 Ω будет детектироваться только сигнал объемной нестационарной фотоэдс на частоте основной фазовой модуляции ω.
Совокупность существенных признаков полезной модели является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике. Авторам впервые удалось показать, что введение дополнительной низкочастотной фазовой модуляции сигнального или опорного луча позволяет подавить контактную составляющую сигнала и, как следствие, повысить стабильность работы адаптивного фотоприемника на основе эффекта нестационарной фотоэдс.
Суть полезной модели поясняется чертежами Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4, Фиг.5.
На Фиг.1 представлена схема установки для двухчастотного возбуждения нестационарной фотоэдс, где 1 - источник когерентного излучения (лазер), 2 - светоделительная пластина для деления исходного луча на два: сигнальный и опорный, 3 - зеркала, предназначенные для формирования интерференционной картины на поверхности фотоприемника, 4 - элемент осуществляющий основную фазовую модуляцию сигнального луча, 5 - элемент осуществляющий дополнительную фазовую модуляцию опорного луча, 6 - адаптивный фотоприемник, 7 - нагрузочное сопротивление, 8 - селективный вольтметр или спектр-анализатор.
На Фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики нестационарного фототока в адаптивном фотоприемнике на основе GaAs, измеренные в схеме с одночастотной модуляцией (схеме-прототипе) с интервалом ~10 мин.
На Фиг.3 представлена электрическая схема, соответствующая рассмотренной модели фотоприемника.
На Фиг.4 представлена амплитудно-частотная характеристика нестационарного фототока в адаптивном фотоприемнике на основе GaAs, измеренная в схеме с двухчастотной модуляцией.
На фиг.5 представлена зависимость контактной составляющей сигнала от амплитуды дополнительной фазовой модуляции, измеренная в адаптивном фотоприемнике на основе GaAs.
0
0
Для реализации полезной модели пучок когерентного света от источника 1 направляется в интерферометр, состоящий из светоделительной пластины 2 и зеркал 3. С помощью фазового модулятора 4 в сигнальном плече интерферометра производится основная фазовая модуляция света с частотой ω и амплитудой δ. С помощью фазового модулятора 5 в опорном плече интерферометра производится дополнительная фазовая модуляция с частотой  Ω и амплитудой Δ, выбираемыми из соотношений J(Δ)=0 и  Ω<ω/Δ. Далее фазовая модуляция световых пучков преобразуется в колебания интерференционной картины в месте пересечения сигнальной и опорной волн. Сформированной интерференционной картиной освещают полупроводник 6. Электрический сигнал с частотой ω снимается с нагрузочного сопротивления 7 и измеряется селективным вольтметром или спектр-анализатором 8 с установленной полосой пропускания ω'<2 Ω.
3
2
4
-1
0
L
int
Экспериментальная проверка предлагаемой полезной модели была выполнена на примере адаптивного фотоприемника на основе полуизолирующего кристалла GaAs. Кристалл имел размеры 3×3×0.5 мм. Передняя и задняя поверхности (3×3 мм) были отполированы до оптического качества. Электроды были выполнены в виде двух полос, расположенных на расстоянии 1.2 мм друг от друга. Контакт с ними осуществлялся с помощью серебряной пасты. Измерения проводились на длине волны гелий-неонового лазера ЛГ-79-1 (λ=633 нм) при мощности падающего на кристалл света Р=0.58-1.1 мВт, контрасте интерференционной картины m=0.5-0.6 и пространственной частоте К=(1.9-3.1)×10 м. Основная фазовая модуляция света производилась с помощью электрооптического модулятора МЛ-102А (δ=0.10-0.13), на который с выхода спектр-анализатора СК4-56 (ω/2π=0.01-50 кГц) подавалось синусоидальное напряжение, усиленное с помощью усилителя мощности У7-5. Дополнительная фазовая модуляция света с частотой  Ω/2π=3-10 Гц и амплитудой Δ=0-8 рад осуществлялась с помощью зеркала, прикрепленного к мембране наушника телефона ТА-56 м, на который подавалось синусоидальное напряжение с генератора Г6-28. Электрический сигнал на нагрузочном сопротивлении R=200 кОм усиливался предусилителем Unipan-233-7 и измерялся с помощью спектр-анализатора СК4-56 (в полосе ω'/2π=3 Гц) и селективного вольтметра Unipan-232B (с временем интегрирования T=1 с). Амплитудно-частотная
0
0
0
4
-1
ω
4
-1
характеристика нестационарного фототока (Фиг.2), измеренная с помощью схемы-прототипа в адаптивном фотоприемнике на основе GaAs оказывается существенно нестабильной: амплитуда сигнала изменяется в пределах ~50% за время ~10 мин (Р=1.1 мВт, К=3.1×10 м, m=0.6, δ=0.1, Δ=0). Кроме того, амплитуда детектируемого сигнала не стремится к нулю при уменьшении частоты ω. Следует отметить, что подобное поведение сигнала нестационарной фотоэдс характерно не только для кристаллов GaAs, но практически для всех исследовавшихся высокоомных полупроводников. Использование дополнительной низкочастотной фазовой модуляции со специально выбранными параметрами (Δ=2.4,  Ω/2π=10 Гц) позволило стабилизировать амплитуду детектируемого сигнала в пределах ~5% (Фиг.4). При этом поведение сигнала в области низких частот основной фазовой модуляции (ω≪ω) достаточно точно описывается в рамках теории эффекта нестационарной фотоэдс (8). Как следует из Фиг.5 подавление контактного сигнала достигается при различных значениях амплитуды дополнительной фазовой модуляции Δ=2.4, 5.5..., а экспериментальная зависимость амплитуды контактного сигнала J(Δ) достаточно точно описывается функцией Бесселя нулевого порядка [см. (5)]. Для измерения этой зависимости частота основного сигнала ω была выбрана достаточно малой, чтобы можно было пренебречь присутствием объемного фототока, максимальные положительные и отрицательные значения амплитуды сигнала (Фиг.5) достигались за время ~10 мин (ω/2π=125 Гц, Р=0.58 мВт, К=1.9×10 м, m=0.5, δ=0.13,  Ω/2π=3 Гц).
По сравнению с моделью-прототипом предлагаемая полезная модель обладает существенным преимуществом. Она позволяет значительно улучшить адаптивные свойства фотоприемников на основе эффекта нестационарной фотоэдс без решения сложных технологических задач по изготовлению высококачественных контактов на поверхности высокоомных полупроводников.
Анализ процессов, происходящих в адаптивных фотоприемниках на основе эффекта нестационарной фотоэдс, позволяет сделать вывод о том, что предложенная полезная модель может использоваться не только для модернизации систем детектирования оптических фазомодулированных сигналов, но и для повышения точности методик тестирования широкозонных полупроводников.