ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SEMICONDUCTOR CONVERTER OF OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и оптоэлектронике, а именно к конструированию модуляторов оптического излучения, а также полупроводниковых преобразователей электрических параметров в оптические и оптических в электрические. Изобретение может быть использовано для создания модуляторов оптического излучения, а также приборов для контроля концентрации газов, уровня ионизирующих излучений и других физических воздействий.
Известен полупроводниковый прибор [1] в виде полупроводниковой пластины со сквозными каналами и p-n переходами, выполненными плоскими и/или планарными и выходящими на боковую поверхность каналов. Существенным недостатком таких приборов является низкая восприимчивость к оптическому излучению и невозможность воздействия на оптические характеристики света, пропускаемого через сквозные каналы.
Целью разработки является создание интегрированного с полупроводниковой структурой оптического преобразователя, в котором управление оптическими характеристиками излучения осуществляется электрическим полем p-n переходов.
Для этого полупроводниковый преобразователь оптического излучения (в дальнейшем - преобразователь) выполняют в виде полупроводниковой пластины с каналами, в том числе имеющими наклон к плоскости полупроводниковой пластины и пересекающимися друг с другом, в которых размещаются один или несколько оптических элементов.
Выходящие на боковую поверхность канала p-n переходы позволяют при их обратном смещении получать электрическое поле, воздействующее на оптические элементы, расположенные в канале, и изменять оптические характеристики излучения, передаваемого по световодам.
Варьируя конфигурацию p-n переходов, геометрию каналов и световодов, материал оптических элементов, можно создавать: преобразователи электрического сигнала в оптический и оптического сигнала в электрический, модуляторы оптического излучения, датчики для регистрации концентрации газа, ионизирующих излучений и других aj* физических воздействий.
Для расщепления поляризованных лучей оптическую систему выполняют разветвленной. Канал с выходящим на его поверхность p-n переходом, содержащий электрооптический элемент, разветвляется в полупроводниковой структуре на два или более каналов, содержащих световоды. При изменении напряжения на p-n переходе изменяется ширина области пространственного заряда и распределение электрического поля в электрооптическом элементе. Это изменяет длину участка связи и приводит к расщеплению моды оптического излучения.
Для создания разветвленных оптических схем световод разветвляется перед входом в канал и/или выходе из канала.
Для модуляции расщепленных лучей, в разветвленных каналах размещают электрооптические элементы, при этом на поверхность каналов выходят плоские и/или планарные p-n переходы.
Для раздельной модуляции оптических сигналов, световод выполняют разветвляющимся перед входом в два или более непересекающихся каналов. В этом случае модуляция оптического излучения в каждом канале осуществляется отдельными р-n переходами, например, планарными.
Для измерения концентрации веществ в газообразных или жидких смесях в полупроводниковой структуре выполняют пересекающиеся друг с другом каналы. В одном из каналов размещают оптический элемент и световоды, другой канал заполняют газом или жидкостью. Для активации исследуемых веществ один из p-n переходов выполняют выходящим на поверхность в области пересечения каналов. В этом случае модулированное оптическое излучение, проходя, например, через поляризованный газ, изменяет свои характеристики. По изменению спектра, коэффициента преломления, угла поляризации и других характеристик определяют концентрацию компонентов в газовой смеси.
С целью упрощения устройства для определения концентрации различных веществ в газовой среде в канале между оптическими элементами и световодами и/или стенками канала оставляют свободное пространство, заполняемое газом. Модулируя оптическое излучение, например, по частоте и воздействуя электрическим полем p-n перехода на молекулы или ионы газа, определяют состав и количество компонентов в газовой смеси.
Для расширения возможностей модуляции оптического излучения, например для увеличения амплитуды оптического сигнала и его продолжительности, оптическое соединение каналов осуществляется световодом последовательно, например конец первого канала соединяется с началом второго канала, а конец второго канала - с началом третьего канала и т.д. Воздействуя полем одного или нескольких p-n переходов на электрооптические элементы, модулирует оптический сигнал по амплитуде, частоте или другим временным характеристикам.
Для управления характеристиками оптического излучения в нескольких световодах, они подсоединяются к одному оптическому элементу. В этом случае оптический элемент, размещенный в канале между торцевыми частями световодов, модулирует оптическое излучение одновременно в нескольких световодах.
Для управления оптическими характеристиками световода через его боковую поверхность оптический элемент выполняют охватывающим один или несколько световодов, например, в виде коаксиального слоя или в виде слоев, нанесенных на поверхность одного или нескольких световодов. При выполнении оптического элемента из электрооптического материала при изменении напряжения на p-n переходе изменяются коэффициенты преломления оптического элемента и, соответственно, моды оптического излучения.
Для создания управляемой электрическим полем p-n перехода стержневой линзы в области p-n перехода располагается оптический элемент, выполненный из материала с коэффициентом преломления, зависящим от напряженности электрического поля. Поскольку радиальное распределение напряженности электрического поля в канале аналогично распределению поля в электрической линзе, то, изменяя напряжение, приложенное к p-n переходу, можно изменять и параметры оптической линзы, выполненной в виде электрооптического элемента с заданной начальной, т.е. в отсутствии электрического поля, зависимостью коэффициента преломления от радиуса.
Для увеличения функциональных возможностей электрооптической линзы, например изменения коэффициента преломления по окружности, изменения характеристик мод, изменения направленности излучения, один или несколько электрооптических элементов располагаются в месте выхода на поверхность канала непересекающихся планарных p-n переходов. При независимом управлении планарными p-n переходами изменяют оптические характеристики электрооптического элемента по сечению. Изменяя, например, интенсивность и направление излучения можно формировать изображение на дисплее.
Для преобразования оптического сигнала в электрический сигнал оптический элемент и/или световод выполняют таким образом, что проходящий по ним свет переизлучается в область выхода р-n перехода на поверхность канала. С этой целью оптический элемент, например, выполняют зеркальным, а световод изготавливают из термически вытянутого оптического волокна. При освещении р-n перехода модулированным оптическим излучением изменяются, например, обратный ток и емкость p-n перехода. В этом случае осуществляется преобразование оптического сигнала в электрический.
Для модуляции оптического излучения оптические элементы располагают в области выхода p-n перехода на поверхность канала. Образующиеся при обратном смещении p-n перехода электрическое поле воздействует на оптический элемент, изменяющий свои оптические параметры. При выполнении оптического элемента:
- из электрооптических материалов изменяется коэффициент преломления;
- из электролюминесцентных - возникает свечение;
- из электрохромных - изменяется спектр излучения;
- из жидкокристаллических - изменяется коэффициент отражения.
Для измерения ионизирующего излучения оптический элемент изготавливают из флуоресцентного или радиофотолюминесцентного материала. В этом случае уровень ионизирующего излучения будет определяться спектром или интенсивностью излучения, а также величиной фотоэдс или фототоком p-n перехода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено: на фиг.1 - часть полупроводниковой структуры с p-n переходом, оптическим элементом и световодом; на фиг.2 - разветвляющийся канал; на фиг.3 - канал, оптически связанный с двумя световодами; на фиг.4 - планарные p-n переходы, выходящие на поверхность разветвленных каналов; на фиг.5 - непересекающиеся каналы, оптически связанные с одним световодом; на фиг.6 - сквозные пересекающиеся каналы; на фиг.7 - канал с промежутком между оптическим элементом и световодом; на фиг.8 - непересекающиеся каналы, оптически связанные между собой одним световодом; на фиг.9 - оптический элемент, соединенный с торцевыми частями световодов; на фиг.10 - оптический элемент, охватывающий световод; на фиг.11 - непересекающиеся планарные p-n переходы в устье канала.
На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - плоский p-n переход; 2 - оптический элемент; 3 - световод; 4 - планарный p-n переход.
Предлагаемое устройство состоит из полупроводниковой пластины, например кремниевой, в которой выполнены сквозные каналы (фиг.1). На поверхность канала выходит p-n переход (1). В канале располагается оптический элемент (2) и световоды (3).
Для расщепления модулированного луча канал выполняют разветвленным (фиг.2). При этом оптический элемент (2) размещают в основном канале по линии пересечения канала с p-n переходом (1). Разветвленные каналы содержат световоды (3).
При создании разветвленных оптических схем световоды (3) выполняют разветвляющимися перед полупроводниковой пластиной с каналами (фиг.3)
Для управления оптическим сигналом в разветвленных каналах (фиг.4) используют планарные p-n переходы (4), расположенные в устье этих каналов.
Раздельная модуляция (фиг.5) расщепленных с помощью световода (3) лучей осуществляется планарными p-n переходами (4), расположенными в непересекающихся каналах.
Анализ концентрации веществ в газовой смеси проводится в сквозном канале, пересекающимся с каналом (фиг.6), содержащим оптический элемент (2) и световоды (3). При этом для активации микрочастиц и для управления оптическим элементом используют p-n переходы (1).
С целью упрощения устройства для идентификации газообразных веществ и определения их концентрации в канале между оптическим элементом (2) и световодом (3) оставляют свободное пространство (фиг.7). Для активации определяемого вещества в электрическом поле в этой области на поверхность канала выходит p-n переход (1). Исследуемая газовая смесь пропускается между стенками канала, световодами и оптическим элементом.
Увеличение амплитуды или продолжительности оптического сигнала или получение «пачек» импульсов достигается последовательным соединением световодом (3) каналов, содержащих оптические элементы (2) и управляемых p-n переходом (1) (фиг.8).
Для получения модулированного оптического сигнала одновременно в нескольких световодах (3) их торцевые части соединяются с оптическим элементом (2), управляемым p-n переходом (1) (фиг.9).
Для модуляции оптического сигнала через боковую поверхность световода (3) оптический элемент (2) выполняют охватывающим, например, из электрооптического материала, нанесенного на поверхность канала или световода (фиг.10).
Для создания управляемых электрооптических линз используют оптические элементы с изменяющимся в радиальном направлении коэффициентом преломления.
Для управления оптическим сигналом по сечению оптического элемента (2) используются планарные p-n переходы (4), электрическое поле которых оказывает локальное воздействие. Это позволяет изменять интенсивность и направленность оптического излучения (фиг.11).
Преобразование оптического излучения в электрический сигнал осуществляется путем переизлучения света в область выхода p-n перехода на поверхность канала. Это достигается использованием зеркальных оптических элементов и/или световодов, пропускающих оптическое излучение через боковую поверхность.
Для увеличения числа модулируемых электрическим полем характеристик оптического излучения кроме электрооптических материалов используются другие материалы, изменяющие свои оптические характеристики под воздействием электрического поля, а именно электрохромные, электролюминесцентные и жидкокристаллические.
Для измерения характеристик ионизирующих излучений оптический элемент изготавливают из флуоресцентного или радиофотолюминесцентного материала.
Полупроводниковый преобразователь оптического излучения функционирует следующим образом. Поляризованное оптическое излучение (в дальнейшем свет) проходит через световод 3 и оптический элемент (2) (фиг.1). Если оптический элемент выполнить из электрооптического материала, например сегнетоэлектрика, то коэффициенты преломления по осям кристалла будут изменяться в зависимости от напряженности электрического поля в канале. Для создания заданной напряженности электрического поля используется p-n переход (1), смещенный в обратном направлении. Если прикладываемое к p-n переходу напряжение состоит из постоянного напряжения смещения и переменного модулирующего напряжения, то модулированная интенсивность света будет пропорциональна напряжению модуляции.
Если за оптическим элементом по ходу света не устанавливать анализатор поляризации, то данный преобразователь можно использовать как модулятор фазы света.
Для расщепления поляризованных световых лучей с двумя модами используют разветвленный канал в полупроводниковой структуре (фиг.2). Если основной канал с размещенным в нем электрооптическим элементом (2) использовать как участок связи между двумя каналами, содержащими световоды (3), то можно расщепить поляризованный свет на две моды.
Длина участка связи выбирается кратной нечетному числу интервалов взаимодействия для одной моды и четному числу интервалов взаимодействия для другой моды. Изменение длины активной части участка связи достигается изменением ширины области пространственного заряда p-n перехода и, соответственно, распределением напряженности электрического поля в оптическом элементе (2).
Упрощение конструкции устройства для расщепления оптического излучения достигается разветвлением световодов перед входом в канал или выходом из канала (фиг.3). В этом случае устройство функционирует так же, как описано выше.
Для модуляции расщепленных лучей (фиг.4) используются оптические элементы (2), управляемые планарными p-n переходами (4). При подаче напряжения на планарные p-n переходы в оптических элементах возникает электрическое поле, изменяющие оптические характеристики света в разветвленных световодах.
Раздельное управление оптическими сигналами в разветвленных световодах непересекающихся каналов (фиг.5) осуществляется планарными p-n переходами (4). В этом случае электрическое поле в оптических элементах (2) модулируется напряжением, подаваемым на p-n переходы.
Измерение концентрации веществ, например, в газообразной смеси выполняется с помощью пересекающихся каналов, один из которых служит для подачи газообразной смеси, а другой - для подачи тестирующего оптического сигнала (фиг.6). Для этого на верхний, по расположению на фиг.6, p-n переход (1) подается обратное напряжение, модулирующее оптический сигнал в оптическом элементе (2). При смене полярности обратное напряжение подается на нижний (по расположению на фиг.6) p-n переход. Изменение ориентации молекул под действием электрического поля p-n перехода, например полярных, изменяет скорость перемещения молекул в канале и оптические характеристики оптического излучения, проходящего через газовый промежуток.
В упрощенной конструкции анализатора газовой смеси оптический и газовый каналы совмещены (фиг.7). Газовая смесь поступает через зазор между стенками канала и элементами оптической системы. Концентрация веществ в газовой смеси определяется по изменению спектра оптического излучения, проходящего через заполненное газом пространство.
Увеличение эффективности модуляции оптического сигнала, например, путем изменения коэффициента преломления в электрооптических элементах достигается последовательным пропусканием световода через каналы преобразователя (фиг.8). При этом для увеличения эффекта модуляции электрооптические элементы размещаются по схеме - «канал с оптическим элементом» - «канал без оптического элемента» - «канал с оптическим элементом» и т.д. В этом случае электрическое поле, например, плоского p-n перехода в оптических элементах будет однонаправленным, а эффективность модуляции будет определяться общей длиной включенных в световод оптических элементов.
Аналогичный результат получают при использовании полупроводниковой структуры типа p-n-p (фиг.7) с раздельно управляемыми p-n переходами.
Температурная компенсация достигается включением в световод оптических элементов с разнонаправленным электрическим полем. Например, при наличии оптических элементов в трех каналах (фиг.8), в первом и третьем каналах векторы напряженности электрического поля будут противоположны вектору напряженности во втором канале.
Модуляция оптического сигнала в параллельных световодах (фиг.9) осуществляется подключением их торцевых частей к общему оптическому элементу. Уровень модуляции в отдельных световодах будет зависеть от их расположения относительно оси оптического элемента. При приложении напряжения к p-n переходу напряженность электрического поля будет снижаться в направлении оси оптического элемента.
В этом случае, размещая один из световодов в области с наименьшей напряженностью электрического поля, можно использовать его для получения опорного сигнала.
Модуляция оптического излучения через боковую поверхность световода осуществляется с помощью оптического элемента, охватывающего световод (фиг.10). При изменении электрического напряжения, приложенного к p-n переходу, изменяется напряженность электрического поля в коаксиальном оптическом элементе. Изменение коэффициента преломления в оптическом элементе, охватывающем световод, приводит к изменению моды оптического излучения.
Для управляемой электрооптической линзы используют материал с зависящим от напряженности электрического поля коэффициентом преломления. При равномерном распределении коэффициента преломления по площади оптического элемента в случае приложения напряжения к p-n переходу в канале образуется электрическое поле. При осесимметричном распределении напряженности электрического поля в центре канала напряженность будет ниже, чем на периферии. В этом случае коэффициент преломления будет также изменяться в радиальном направлении.
Изменение направления оптического луча, выходящего из оптического элемента (2) (фиг.11), достигается изменением напряжения, прикладываемого к планарным p-n переходам (4). При этом коэффициент преломления будет меняться локально по сечению оптического элемента в зависимости от включенного p-n перехода и напряжения на нем. Это позволяет формировать изображение на экране, размещенном вблизи оптической системы или являющемся частью этой системы.
При работе устройства в режиме преобразования оптического сигнала в электрический оптический элемент или световод переизлучают оптическое излучения на боковую поверхность канала в месте выхода p-n перехода на поверхность. При этом полупроводниковая структура работает в режиме фотодиода или фотоэлектрического преобразователя.
Расширение области применения преобразователя достигается использованием различных материалов, чувствительных к действию электрического поля и других физических факторов. Так, например, при изменении напряженности электрического поля в оптическом элементе на основе жидких кристаллов можно изменять цвет, угол поляризации, коэффициент отражения и другие оптические параметры. Эти явления можно использовать как непосредственно для изменения оптического сигнала, так и для переизлучения света на p-n переход и изменения электрических характеристик преобразователя.
Аналогичным образом можно фиксировать другие виды физических воздействий, например ионизирующие излучения, используя оптические элементы из радиочувствительных оптических материалов. Например, используя радиофотолюминесцентный материал, можно обеспечить запоминание величины дозы ионизирующего излучения, а при последующем облучении ультрафиолетовым излучением получить в виде люминесцентного излучения информацию о дозе.
Другим способом измерения ионизирующего излучения является фиксация оптическим элементом напряженности электрического поля p-n перехода, изменяющегося под действием ионизирующего излучения. При этом p-n переход может работать как в фотодиодном, так и фотогальваническом режимах.
Пример практической реализации. Для изготовления преобразователя используют монокристаллический полупроводниковый материал, например кремний. После создания p-n перехода (1) и проведения фотолитографии в заданных точках с помощью лазера пробиваются отверстия. Далее каналы проходят физико-химическую обработку и пассивацию.
После этого в канале размещаются световоды (3) и электрооптический элемент (2), например из ниобата лития (фиг.1). Оптическая система закрепляется в канале с помощью синтетической смолы.
В данном устройстве оптическое излучение модулируется электрическим полем р-n перехода в зависимости от амплитуды и частоты питающего напряжения.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства обусловливается возможностью интеграции оптических систем с полупроводниковыми приборами как в части модуляции оптического сигнала электрическим полем р-n переходов, так и в части управления полупроводниковыми приборами оптическим излучением путем воздействия непосредственно на p-n переход. Преобразователь позволяет реализовать уникальные свойства p-n переходов в части управления электрическим полем в осевом и в радиальном направлении канала. Решение этой задачи другими техническими средствами требует больших затрат.
Отработанность полупроводниковой технологии в части создания микрокомпонентов, согласующихся с микронными размерами оптических систем, позволяет значительно уменьшить затраты на реализацию полупроводниковых преобразователей оптического излучения.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации № 2087996 Cl 6, H01L 49/00, от 01.11.95. Опубл. 20.08.97. Бюл. № 23. Полупроводниковый сепаратор микрочастиц. Авт. Монахов А.Ф.