Особенности электропоглощения света и волноводных модуляторах с использованием модельных структур на арсениде галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

гглТР^г.л gp": лек-;?^-

пошЕГйгетй ИНСТИТУТ шги плиажшшл

Па. призах рукописи Для служебного пользований Згсз. Г Q Q g & £

СУХОТИН СЕРГЙ! АЛЕКСЕЕЕ!.?:

удк.021.37о.223:с21.303

ОСОБЕННОСТИ ЭЛИШЮЛОГГОГЭЩ ССТА ß

волноюдках щамшх g падопзшюз: тдкшж стгушр т. ЛРСЙПЩЭ глянь:

Опепвольность 01.04л0.-£»згт:а пзлулрогздпггоз" и д«ялс*тр:~аг

Лпторе I1 з р а? л ! ' с с о рт а т ; г " • оо!* i г "jíстопор-

à йПГ. î'r! Íl-T^T CI '^T^r^'IK ! "Г К TV*.

.rOctJ

' уо

i '

Работа выполнена б Ленинградское ордаш а виши политехнической институте имени й»ц»Калинина.

Научный руководитель: доктор фиавко-ааталатических наук» профессор Ю.А.Бодаков.

Официальные оппоненты: докаор Зцаико-иотевдшческих наук, профессор Л.Е.Боробьав, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Б.С.Ршшш.

Ведущая организация: Научио-исследоЕатольский инмшуг "Дальняя связь " % г. Ленинград )„

Защита состоится 11 щ^р г, а — чаеов на за-

седании специализированного совета К 063.33.16 в Ленинградское ордена Ленина политехнической ¡шсаитуто имени и.И.Калинина по адресу: 195251, Ленинград, Политехническая учобныи корпу< зуд.

С диссертацией йо.тао овисшоздтьсл в фундаментальной библиотеке институте.

Автореферат разослан

Счепий сокрв1йрь спбцкалксарох-и1шого совсю.

кандидат йнвийо-.''.отеноаичоскн:-: ¡¡а у и О.А.Лодсвиро

ОЕЩАЛ УЛРАШЖША РАБОТЫ ■ Актуальность теки

Анализ тенденций развития волоконно-оптических лдакй связи показывает, что в ближайшем будущем эти системы будут .работать .при частотах модуляции порядка единиц гигагерц. Такое быстродействие может быть реализовано как путем прямой модуляции лазерного источника, таи и с использованием внешних олектроолтических модуляторов, ж которым помимо шеокого быстродействия предъявляются следующие требования: возможность интеграции о лазерным источником, простота 'изготовления, узкая спектральная ширина модулируемого света. Всем перечисленным требованиям хорошо удовлетворяют полупроводниковые модуляторы лазерного излучения, использующие явление электропоглощения '( -ЭП •) на основе э^екта Франца-Келдыша ( Э5К ). Наибольший интерес вызывают волноводные модуляторы на ЭП, которне по мнению многих авторов являются наиболее перспективными.

Однако анализ литературы показывает, что в модуляторах на ЭП наблюдается ряд специфических явлений, влияющих на эффективность .действия таких устройств. Гак, неоднородное распределение электрического поля в активной области модулятора приводит к зависимости ■коэффициента модуляции от распределения интенсивности модулируемого света в поперечном сечении волновода, что судестренно осложняет интерпретацию результатов и изучение Физических явлений, происходящих 'В 'активной области. Наличие в исследуемых модуляторах явления электро ретракции ( ЭР ) приводит к динамической <Уазорой модуляции прошедшего через модулятор света, что ограничивает использование таких устройств совместно с одномодошми волокнами. Существование диэлектрической .прослойки между металлическим электродом и полупроводником приводит 'к дополнительной зависимости эффективности модуляции от интенсивности -модулируемого света.

Перечисленные осайвннооти злектропо.глощения света осложняют рчл раб от ну и 'внедрение волноводннх 1М0дудатаара.в на ЭП, в этой связи актуально болев детальное научное :изунан«е этих 'особенностей. Кроме того, результаты ¡таких ^исследований могли Ни 'бить ¡-полезны для раз--работчикав перспективных -конструкций -модуляторов ;и других'«птоэлок-тронкых устройств на основе •эяект.роот'ичеоких ¡э^ектоц.

В .качестве - основного объекта исследований выбраны .рояняводтшо пданарнне -модуяотррг чт основе автойгмтаксиапышх структур ароеки-

да галлия /1-типа на /1+-подлажке-, которые, являются удобными модельными объектами для исследования модуляторов интенсивности на 311, и позволяют изучать особенности распространения и поглощения света, справедливые для любых полупроводниковых модуляторов на 011, в том числе и для перспективных модуляторов на наиболее актуальный спектральный диапазон 1,3 ♦ 1,6 ыкм на основе четверных твердых растворов , так как принципиальные выводы, полученные в

ходе исследований модуляторов на , будут верны и для модуля-

торов на основе других полупроводников группы А°В . Цель работы. На основе .модельных . .волноводных структур провести систематические исследования особенностей электропоглощения и распространения' света в воляоводных средах в условиях реализации в них эффе^а ¿ранца-Келдыша.

Научная новизна. В результате выполнения работы установлено, что неоднородное распределение коэффициента поглощения в волноводе модулятора на ЭЛ деформирует наблюдаемое на выходном торце модулятора распределение интенсивности возбуждаемой моды, при этом определена -взаимосвязь между характером и степенью этой деформации, с одной стороны, и величиной управляющего напряжения, длиной электрода и расстоянием электрода до выходного торца, с другой.

Экспериментально потверкдено, что в волноводах ОДЬмодуляторов на ЭП при отсутствии растекания фотогенерированных носителей вдоль поверхности диэлектрик-полупроводник возникает перепад напряженности электрического поля, перемещающийся по линии распространения света со скоростью, прямо пропорциональной интенсивности модулируемого света и обратно пропорциональной начальной напряженности электрического поля в волноводе.

Предложен метод расчета оптических потерь для волноводных мод, уточняющий (при длинах волноводов, сравнишх с периодом зигзагообразной волны модулируемой моды) и дополняющий (представлением вида деформации распределения интенсивности света в поперечном сечении волновода) результаты расчетоЕ по известным методам для случая волноводных сред с сильным поглощением ( ~ 50 ♦ 200 см"*).

Экспериментально установлено, что в модуляторах на основе структур ( п- И+)^ЗАЗ с ориентацией подложки ( 001 ) при высоких модулирующих полях абсолютный вклад эффекта '..ранца-Келдыша в . изменение эффективного показателя преломления ТК-полярнзоьанного сбь 1« превышает вклад эффекта Поккельса.

Практическая ценность работы. Предложен ноа^й метод расчета величи-2

мът оптических потерь в волноводных слоях с сильным поглоцениеиг,уточ-няющий и дополняющий расчеты по известным методам. Разработана методика измерения малых изменений показателя преломления в волновод-ных электрооптических модуляторах, позволяющая использовать слабо коллимированные полупроводниковые источники излучения. Предложен способ управления световыми потоками (Л.СЛ." I2402S9), ряд устройств для детектирования и модулирования оптического излучения (A.C. № 1269030,,1402004, полох.реш. по заявке Г 4209483/25 от 15.12.86), а также способ модулирования когерентного оптического излучения (по-лож. реш. по заявке К? 43Е4Ш/25 от 25.04.89). Апробация работы. Результаты работы докладывались на II Всесоюзной конференции ^Проблемы развития радиооптики" ( Тбилиси, 1905г ), II Всесоюзной конференции "Формирование оптического изображения и методы его обработки" ( Кишинев, 1985 г.).

Публикации.Основные результаты диссертации изложены в II научных публикациях.

Объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 115 наименований, изложена. на 135 страницах ианшгюшгсного текста и включает 62 рисунка.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность, новизна и цель работы, формулируются основные научите положения, вшосимнз на залету. •

В первой главе рассматриваются теоретические оснош эффекта 1ранца-Келдыша, отмечаются основные конструктивные особенности и рабочие параметр» еолноеодных модуляторов на ЯП, описываются известные методы расчета величины-' потерь в таких модуляторах. Обосновывается необходимость исследования наиболее* общего- режима работы модуляторов, при котором коэффициент поглощения' по* тащинв волновода распределен неоднородно. Анализируится- известные'- результаты исследований процессов разовой модуляции света в- уело пот*. 3£fC и процессов ЭП в волно водных ВДЛ-модуляторах, Описываются; принципы- работы чодуляторов на ЭП на основе многослойных структур' е- квантовыми яма-,:и. В конце главы формулируются основные-задает диссгергационноП ра-Зоты.

В разделе 2.1 второй, главы описывается1 методика- изготовления полноводных модуляторов-на ЗП на оснсгее нодеявных структур А С--( п- n+)Qé¡f(S и А- $ - Сд ira летел рак М я; - /"!' *а ориентацией под-

ложки ( ОМ ). Б качестведиэлектрика использовались пленки SiOg толщиной 0,20 « 0,35 мкм, полученные методом высокочастотного плазменного распыления при температурах U-0 ♦ Б30°С, и анодные окисние «Ленки толщиной 0,1 »0,2 нкм, полученные анодным окислением в 0,1 N водном растворе КОН.

В разделе 2,2 описаны две установки для исследования ЭП, в первой из которых для ввода света в торец волновода из /l&As предусмотрено использование полупроводниковых лазеров типа ЛПИ-12,ЛШ-101 с длиной волны А - 0,9 мкм, во второй - использование в качестве источника излучения ксеноновой лампы повышенной интенсивное^ ДКСШ-150, что позволяло получать спектральные зависимости ЭП в требуемом диапазоне 0,85 •» 0,55 мкм. Шходной торец волновода модулятора рйссыатрива51ся в шкроокоп с помощью электронно-оптического преобразователя. Использование перед щелью фотоприеыного устройства вращающегося зеркала позволяло регистрировать форму распределения интенсивности модулируемого света на выходном торце волновода. В качестве источника модулирующего напряжения использовались прямо -угольные обедняющие импульсы, которые подавались на управляющий электрод модулятора синхронно со светоЕыш импульсами. Зсгфектиьност модуляции оценивалась по величине контраста К, либо по величине эффективного коэффициента поглощения cL с использованием зависимое-

,et" K--Ijl(v), J'(&K)/L.

:где I - длина управляющего электрода, I0,1 (V) - интенсивности света на выходе модулятора, соответственно, в отсутствие модулирующего напряжения и при его наличии.

В разделе 2.3 описывается специально разработанная методика ( измерения малых изменений элективного показателя преломления UN ' основанная на интерференции пучков света с выходного торца волновода модулятора и выходного торца идентичного ему пассивного волновода. В ходе эксперимента свет вводился в оба волновода одновременно При этом измерялась зависимость интенсивности 1д(V) на выходе активного волновода и интенсивность света 10 на шходе пассивного волновода, которая при увеличении модулирующего напряжения V не и иенйльсь. Затем при тех же значениях напряжения измерялась интенсивность света в точке начального положения одного из главных максимуме« интерференционной картины 2j( I/). Цзмекение интенсивности снетп в точке положения максимума происходило как за счет ичменеш'

рок в Síи Aüii ( ~ IO^cw"J) и поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик- (jflAs IO^oB'^cu"2) растекание .'отоге-нерированных дырок под электродом практически отсутствует. Ь этом случае n.o.jcho предположить, что электрическое поле по длине модулятора будет релаксировать неоднородно и его продольное распределение будет икеть с! орту плавной ступеньки ( волны ), отделяющей участок волновода, где поле-минимально, от участка, где ноле максимально^! нере;ле^ак.це[,ск вдоль волновода по линии распространения света со скоростью & . Да и модуляторов о длиной электрода L ~ I t 3 мм по виду зависимостей оС (~t) абсолютные значения были определены акспериментально. Окспериыент показал, что скорость движения Eojiiju прямо пропорциональна интенсивности модулируемого света и обратно пропорциональна начальной напряженности электрического поля в ьолноьоде, при этом абсолютные значения « 0,25 t 2,00 кы/с) хорошо согласуются с расчетными. Дополнительный эксперимент, в котором два параллельных пучка света I и 2 различной интенсивности вводились в одну и ту ме активную область, потвердил отсутствие растекания днрок вдоль поверхности волновода, так как скорости просветления ОДЧ-модулятора от этих двух пучков были различны и не оказывали ьзшшного воздействия. Приведены также результаты численных расчетов пространственно-временных распределений модулирующего поля в !т1ДГ1-модуляторе, потвервдаюцие полученные экспериментальные результаты. В данной главе также приведены спектральные зависимости электропогло^ения и результаты фотоэлектрических измерений, которые показали, что модуляторы на ЭП в режиме, при котором ( I - можно использовать в качестве элективных волноводных '¡отодётекторов.

В пятой главе приводятся результаты исследований ifasobofi модуляции света в модуляторах на ЭП, возникающей в виду наличия явления элект pope-í ракции ( ЭР ). Исследовались зависимости электропо-гло'цения от поляризации модулируемого Света ( ТЕ и ТМ ) и от направления распространения света в кристалле вдаль кристаллографических осей [ПО] и [lío]. Оксгшриментн покачали, что во всех случаях ТП-волны поглощались в большей стспсни, чем ТЕ-волны. Исходя из соотношения Крамер>са-Кронига мо.г.но предположить, что набег |чз на счег 1.Р для 1Л-соли ^удет болыае, мои для ТК-ьолн. Однако в híkotojux случаях м-сперш/.онт иокяг-ал сб^тнсе. £и-ло сделано пррд^гелсженм^ что О иссс-сдуем^х модуляторах помимо Я6-

ления ЭР имеет место линейный э^ект Поккельоа, который при ориентации подлодки ( 001 ) проявляется только для ТЕ-поляризованного света, причем знак изменения показателя прел селения зависит от ориентации кристалла относительно оптической оси светового пука:

liio]

Таким образом, можно предположить, что при распространении ТЕ-поляризованного света в направлении [lio].вклады зЭДехтов Поккельса и ЭР в изменение показателя преломления полупроводника суммируются, а при распространении света в направлении (iioj - вычитаются. Для проверки данного предположения из единой полупроводниковой пластины было изготовлено два модулятора, в которых свет распространялся в двух взаимоперпендикулярных направлениях. Для ТГ.-волн зависимости сдвига 'Уаз от величины поглощения для этих двух направлений отличались незначительно. Для ТЕ-волн различие в величинах Добыло очень велико, причем для одного из направлений выполнялось неравенство

Л ^ТЕ > Л^ТМ' а дая ДРУГ0Г0 А^ТЕ < А^ТМ* пРичем Б последнем случае на начальном этапе модуляции наблюдалось уменьшение эффективного показателя преломления. Исходя из этих результатов делается следующее утверждение: в модуляторах, для которых выполняется неравенство A f^g > А^ц;« вклады э^ектов Поккельса и ЭР в изменение показателя преломления полупроводника суммируются, модулируемый свет в таких структурах распространяется в направлении [ПО] . При выполнении неравенства А ^ТЕ ^ Д^ТН Бклада аспектов Поккельса и ЗР в изменение показателя преломления полупроводника вычитаются, модулируемый .свет в таких структурах в отличие от предыдущего случая распространяется в направлении [ПО]. Кроме того, проведенные эксперименты* показали, что при высоких модулирующих полях ( ~ 10° В/см) величина изменения показателя преломления за счет ЭР может быть больше аналогичной величин« в условиях з'Чекта Поккельса. В одномодовоы модуляторе при длине алектрода L » I мм сдвиг даэ в 180° для ТМ0- мода за счет явления ОР имел место при управляющем напряжении порядка 22 В ( А «= 0,9 мкм). Описывается способ модулирования, когерентного оптического излучения, в котором совместное использование явлений ЭП и ЭР позволяет.повысить эффективность модуляции. Опробован в действии гибридны!', модулятор на ЭП, в котором использование явления ЭР повышает коэффициент модуляции с 75« до без увеличения управляющего напряжения.

Приводятся результаты расчетов по ачиянию ЭР на параметры вол-

новодных мод ь.одуляторов на ЭП. С этой целью уравнение поперечного

фазового резонанса:

• . <

i¿ z anctcj^pjg) +cvict(j(<i/gj +т$1,т =o,i,2

решалось в комплексном виде -с использованием численного интегрирования на ¿íliJ. Расчеты показали, что уьеличениэ показателя преломле- 1 ния за счет явления ЭР приводит к увеличению коэффициента заполнения волновода оптическим полем моды Г0, осоо'енно существенному вблизи ее отсечки. Проведенные по данному методу расчеты показали, что вблизи отсечки ТЕ0-моды ( X я 0,9 мкы, d = 0,9 мкм) изменения иф-<фек£ивного показателя преломления моды 4 N и ее эффективного коэффициента поглощения примерно на порядок превышают расчетные значения, полученные по известному методу в предположении постоянства коэффициента Г . Ццали от отсечки результаты, полученные обоими методами, совпадают.

ВЫВОДИ '

I. Исследованы процессы волноводного распространения cbütii в условиях сильного поглощения в волноводе ( cL - tiO t 200 см"*). Установлено, что неоднородное распределение коэффициента поглощения по поперечному сечению волновода приводит к деформации распределения интенсивности спета в поперечном сечешш волновода относительно исходного. Определена взаимосвязь между характером и степенью этой деформации, с одной стороны, и величиной управляющего напряжения, длиной электрода и расстоянием электрода до выходного торца, с'другой. Вид деформации в зависимости от расстояния электрода до.выходного торца носит периодический характер, степень деформации уменьшается с увеличением модулирующего .напряжения, т.е. по мере того, как млновод становится гее'более однородный по коэффициенту поглощения, Г> частном, но случае, при длине ;-,лектрода, кратной период;,) зигзагообразной волны, соответствующей модулируемой моде, деформация распределения интенсивности евота минимальна при л» бых шшрялепиих на пле^тродв.

'¿, На- ochce.'jhiiii модельных цродотэмышЛ о наличии плоекчх ьолн в оптических 'волноводах предлсиеи но сын метод расчет я ьвличиин олгичеокчх гтгерь i» волноводах с Иольрим кочфп'иигнк4« поглпцв-

(I

ния, количественно уточняющий ( при дайнах поглощащеи области, сравнима с периодом зигзагообразной волны модулируемой моды ) и дополняющий ( представлением Еида дс'о:?мации распределения интенсивности света в поперечном сечении волновода ) результаты расчетов по известным методам.

3. Экспериментально потверседена возможность наличия в ЕолноЕодах модуляторов на 511, выполненных на основе ЦДЛ-структур со слабым растеканием г отоносителеГг вдоль границы раздела диэлектрик-полупроводник, перепада напряженности ¡электрического поля, перемещающегося по линии распространения света со скоростью прямо пропорциональной интенсивности модулируемого света и обратно пропорциональной начальной напряженности электрического поля в волноводе. Именно такая ситуация реализуется в волноводных Ь'ДО-мо-дулятора:: на основе структур SíOp-( n-n+)Gah$ и шп -( п- rt+)§dAS , у которых отсутствует растекание гтотогенерироЕан-ных дырок вдоль поверхности диэлектрик-полупроводник из-за большой плотности ловушек для дырок в Si СЦ и ЛОЛ ( - Ю^см"3^ и поверхностных состояний на границе раздела ( ~ эВ'^см-""). Скорость перепада напряженности электрического поля, с которой он перемещался по направлению от входного торца модулятора к выходному торцу, в исследуемых структурах окапалась равной

100 t 2000 м/с.

4. Предложена методика определения милых изменений показателя преломления в волноводних модуляторах на 511, позволяющая использовать в качестве источников излучения с ветопз лучащие устройству, с широкой диаграммой направленности, н«» пример, полупроводниковые лазеры.

В исследуемых мо^/ляторах с ориентацией подложки ( COI ) для ТЕ-поляризованного света обнаружено появление о'Некта Пок-кельса: при распространении света б направлении [lío] вклады эффектов Поккельса и ОР в изменение показателя преломления полупроводника зум:мруу1тся, а при распространении с;Е'..та в напр-апле-нии [lio] - вычитаются, при этом в последнем случае абсолютный вклад SF при высоких модулирутмих полях wt*r пр^ютлть вклад от !?■' 'екта Поккельса.

Предложен г от од ¡лечета г.оличинь отписки/ потерь н го.чно-ЕОДНЫХ модулято^л на ПП, учитыв-чг;;и;, глотни« .-Г ич коот'шмонт заполнения активной волноводной области оптическим полем моды и позволяющий более точно, по сравнению с известными методами,

1Z

интенсивности 1Д( V ) на выходе модулятора, так и за счет изменения Фазы А Гд( |/) этого излучения. Окончательно, набег г?азы в активном волноводе определялся с использованием равенства:

Cos &%(v) -- i +[lA(0) ,r0 +-2{ЩТ0 f^V)] - f(v),

в котором V) = IA( v) + I0 + а все величины нор-

мированы на CEoe максимальное значение.

Третья глава посвящена исследованию электропоглощения при неоднородном распределении коэффициента поглощения по толщине волно-воднок области. Такой режим является наиболее общим режимом работы модуляторов на ЭЛ и реализуется как при условии неполного обеднения волновода (за счет неоднородного распределения напряженности электрического поля в ОГВ), так и при сильном обеднении ( за счет наличия сдвига Гуса-Хенхена). В этих условиях коэффициент поглощения максимален вблизи электрода и минимален вблизи подложки. Отмечается, что неоднородность носит строго закономерный характер, хорошо управляема в достаточно широких пределах путем изменения величины-напряжения на электроде.

В разделе 3.1 экспериментально и расчетным путем показано, что в 2-х модовом волноводе толщиной d= 4,0 мкм мода Tlij поглощается . в большей степени, ч°м мода TEQ, что объясняется большей величиной интеграла перекрытия оптического поля первой моды с модулирующим нолем по сравнению с нулевой модой. Отмечается, что отношение эффективных коу^ициентов поглощения оС^/od^ зависит от величины напря-ленич: оно растет при уменьшении напряжения и стремится к единице при его увеличении по мере того, гак волновод становится более однородном по коэФ-'пциеиту поглощения.

В разделе 3.2 исследуется взаимосвязь ме;«ду величиной интегрального контраста и распределением интенсишойти свста в поперечном сечении волновода при возбуждении произвольной суперпозиции 1..од в многомодовом модуляторе. Исследовались модуляторы, управляющие элект;юды которых были сформированы на различных расстояниях от выходного торца волновода. В ходе экспериментов было выявлено, . что величина интегрального контраста, измеряемая при фиксированном напряжении на каком-либо из электродов одинаковой длины, зависит, от полодсния энергетического максимума интенсивности на выходном торце модулятора. При этом при аесиметрлчных относительно средней линии волновода d/2 положениях максимума величина контраста йыла

5

различной в зависимости от того, на каком расстоянии с от выходного торца находился электрод. Результаты экспериментов объясняются, исходя из законов распространения света в шогомодовых волноводах. Известно, что, если на входном торце ыногомодового волновода создать произвольное распределение интенсивности света, то в определенных сечениях волновода, называемых синфазными, это распределение будет повторяться, причем в четных сечениях волновода, отстоящий от входного торца на расстояниях £ ■= В = 0,1,

...), восстанавливается исходное распределение, а вгнечетных, отстоящих от входного торца на расстояниях • - .-обратное относительно средней линии волновода. Расстояние мезду двумя ближа1шши сечениями определяется по формуле; 4¿Л\ . В соответствии с принципом оптической обратимости можно утверждать, что распределение интенсивности Света в поперечном сечении волновода на расстоянии £ » 20 от выходного торца будет обратным наблюдаемому на выходном торце,, а на расстоянии 2 ^-прямым • и т.д. Для проверки возможности существования таких сечений в мноплюдо-вых модуляторах на ЭП были измерены величины контрастов для модулятора с толщинок волновода 0,0 мкм ( 1,1 мм) с двумя электродами длиной Ц = ¿2 » 0,4 мм, для одного из которых расстояние £I - 2,4 мм ^ 2 £а,что приблизительно соответствовало расположению е четном сечении волновода, а для другого *' 1>4 что соответствовало расположению вблизи нечетного сечения. Эксперимент показал, что для электрода I изменение характера распределения интенсивности на выходном торце от вида, при котором максимум интенсивности расположен в части выходного торца от 0 до й^/2, что соответствует преимущественному распространению света вблизи електрода ( где коэффициент поглощения максимален ), к виду, при котором максимум интенсивности расположен в части выходного торца от C¿^Z до

что соответствует преимущественному распространению сБета вблизи подложки (где коэффициент поглощения минимален ), приводит к Существенному уменьшению контраста. Для электрода 2 имела меодо обратная ситуация ( существенное увеличение контрлота ) за счет обратного характера распределения света под ним по сравнению с электродом I,

В разделе 3.3 приведены результаты исследований, которые пока-«знепют, что в исследуемых модуляторах при неоднородном распределении коэффициента поглощения по толщине волновода значения контрастов КС К ), измеренных в различных точках X выходного торид волно-6

вода, могли существенно различаться друг от друга. Это явление имело мссто как в случае дискретно возбужденных мод в модуляторе с толщиной волновода оь 4,0 мкм, так и при произвольном распределении интенсивности света на выходе иногомодошх модуляторов ( а= 6,0 мкм, 8,0 мкм, 14,0 мкм). Визуально наиболее четко данный эффект-проявлялся в модуляторах с относительно коротким! электродам! 0,10* * 0,25 мм. Кроме того, эксперимент показал, что для модулятора с несколькими электродами одинаковой длины величина контраста в данной точке X зависит от того, на какой из управляющих электродов подано напряжение.

С целью объяснения полученных, результатов был проведен теоретический анализ процессов распространения и поглощения света в модуляторах на ЭЛ. Расчеты проводились в приближении лучевой оптики в рамках модели зигзагообразных волн. В приближении этой модели распределение интенсивности света для данной мода в поперечном сечении волновода есть результат интерференции двух плоских волн, распространяющихся в волноводе под некоторым углом к поверхности волновода. Если предположить, что распределение интенсивности моды в произвольной плоскости "аб" поперечного сечения.волновода, расположенной мехду входным торцом, и плоскостью, совпадающей с началом активной области, известно (это распределение может быть определено по известным геометрическим параметрам волновода и величине Л ), то интенсивность света в какой-либо точке В произвольного сечения волновода "а^б*", расположенного между плоскостью, совпадающей с началом активной области, и выходным торцом, можно получить путем сложения двух гармонических колебаний одинаковой амплитуды А0, соответствующих дЕум лучам I и 2,исходящим из соответствующей точки В. плоскости "аб". Однако, так как коэффициент поглощения вблизи подложки меньше, чем вблизи электрода, то в точке В амплитуды гармонических колебаний, соответствующие лучам I я 2, будут различны, так как в активной области эти лучи ослабляются по-разному. Для амплитуды результирующего колебания в точке В по правилу сложения двух векторов с амплитудам! А0КТ и А^ и сдвигом фаз можно записать:

Аа' = Ао/*1 + 4

где: и ' «2 - е*Р(-.$<*■<*)

- величины ослаблений для лучей 1-й 2, соответственно. Таким образом можно получить распределения интенсивности модулируемого света

7

как в сечениях активной области, так и в сечениях, расположенных между плоскостью, совпадающей с концом активной области, и плоскостью еыходного торца. Расчеты показали, что неоднородное распределение коэффициента поглощения в активной области приводит к искажению исходной формы распределения интенсивности моды на выходе активной области волновода. При длинах электродов L меньших, либо •равных Т/2, где Т - период зигзагообразной волны, максимальное ос ослабление испытывает та часть распределения, которая находится вблизи электрода, где коэффициент поглощения максимален. В пассивной части волновода на участке между концом электрода и выходным торцом происходит периодическая трансформация Форш распределения, которое имело место на выходе активной области, за счет интерференции двух плоски* волн с различными амплитудами.

В разделе 3.4 в рамках модели зигзагообразных волн рассчитаны величины потерь для модуляторов на 311 с длинами электродов, сравнимых с величиной сдвига Руса-Хенхена, отмечены особенности их рабочих характеристик. Показано, что существует оптимальная толщина волновода модулятора, при которой для заданного управляющего 'напряжения ослабление данной моды максимально.

В четвертой главе приведены результаты исследований процесса просветления волноводных ВДП-модуляторов на Dil, возникающего в виду экранирования электрического поля в волноводе накопленными на границе раздела диэлектрик-полупроводник фотогенерированными носителя-, ми заряда. Синхронизация модулирующих импульсов напряжения и лазерных импульсов осуществлялась таким образом, что за время длитель* ности модулирующего импульса генерировалась серия лазерных импульсов, что'позволяло изучать кинетику просветления модулятора по зависимостям ai ("t), где - Ы'Ь ( /V- порядковый номер импульса, длительность импульса лазера). Для исследуемых ВДП-модулято-ров эти зависимости хорошо аппроксимировались прямыми линиями в координатах Cnd. (Í), что указывало на экспоненциальный характер релаксации эффективного коэффициента поглощения от времени: oL ()-= o¿oexp (-"É/íp), где oí0- константа, f - постоянная релаксации. Для модулятора с толщиной волновода d = 4,0 мкм постоянная релаксации уменьшалась от 450 не до 50 не при увеличении интенсивности модулируемого света в 64 раза до значения энергии в импульсе порядка 2x10""Д*. Анализ вольт-фарадных характеристик исследуегнх структур показал, что вследствие болыио!< плотности лопуиск для ды-

рассчитать величину оптических потерь моды вблизи ее отсечки. По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сухотин С.А., Голубев В.В., Кунин В.Я. Исследования волноводных модуляторе свйта на арсениде галлия на основе эффекта Франца --Кеедша// тез. докл. II всесоюзной конф." Проблемы развития ра-диооптаки". г.Ыооква, 1986.-е.173.

2. Сухотин С.А., Голубев В.В., Кунин В.Я. Волноводные модуляторы света на электропоглощении для систем оптической обработки информации // тез. докл. II всесоюзной конф. " Нормирование оптического изображения и методы его обработки" г. Кишинев, 1985.-с.49.

3. Сухотин С.А., Голубев В.В., Кунин В.Я. Релаксация поля в волно-Зодном ЬДП-модуляторе света на аффекте Франца-Келдыша // КТФ.-- I9c5. -V. Ь5. -N'5. -с .951-954.

4. Кунин В.Я., Голубев В.В., Сухотин С,А, Расчет поглощения света в многомодовых волноводных модуляторах света на основе эффекта Франца-Келдыша // Сб. научи, тр. " Разработка элементов и систем технической радиооптикип/ Тула,-ISG6,70,984102,

Б. Голубев В,В., Сухотин С,А. Способ формирования световых импульсов. A.C. № 1240299.

6. Голубев В.В., Сухотин С.А. Многомодовый волноводный модулятор света. A.C. № 1269068,- Опубл, 07.'11.86. Бюлл. К? 4Г.

7. Сухотин С.А., Голубев В.В, Исследование волноводных модуляторов света на эффекте 4ранца-Келдища при неоднородном распределении коэффициента поглощения по толщине волновода // МТФ,-1986,-т.Ь6.--IP.II.-c. 2lob - ¿144.

tí. Сухотин С.А., Голубев В.В. Шияние сдвига Гуса-Хенхена на величину потерь в волноводных модуляторах' на электропоглощении // ЭТ4.- I9b7.-T.i3?.-Ii" 9.-е. 1776 - I77b, •

9. Голубев В.В., Сухотин С.А. Устройство для цодули];»ьани.я и детектирования оптического излучения. А.С, 5° 1403004, Опубл, 15.06.Ч . Билл. !г

10.Голубев В.В., Сухотин С.А. Устройство для ыодули^вания и детектирования оптического излучения. Полол, peía, от 25.07,(0 по зь-яше 4!¿ú94lv3/25 от I5.I2.t6.

И.Веневцев Д.В., Голубев В.В., Сухотин С.А. Способ модулирования когерентного оптического излучения. Полон, рач. от ',7,.Су\.["j по лчкг-ртз 4íJ'-4TJ'7.Iíj.

п