ОПТОЭЛЕКТРОНИКА раздел электроники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно, и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации.

Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно- технологические концепции современной электроники: -миниатюризация элементов; -предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; -интеграция элементов и функций; -ориентация на специальные сверхчистые материалы; -применение методов групповой обработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонких пленок, диффузия, ионная имплантация, плазмохимия и др.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ МОДУЛЯЦИЯ, ПЕРЕДАЧА И ОБРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИЯ

Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют (внутри единого монокристалла) полупроводники с различными значениями ширины запрещённой зоны.

Гетероструктура термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход

Гетеропереход контакт двух различных полупроводников Запрещённая зона - область значений энергии, обладание которыми электроном в идеальном (бездефектном) кристалле крайне маловероятно В полупроводниках запрещённой зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону от незаполненной зоны проводимости

Для роста структур используют много методов, среди которых можно выделить два: - Молекулярно-лучевая эпитаксия, - MOCVD (Осаждение металлорганических соединений из газообразной фазы). Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.

Эпитаксия это закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом, т. е. ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Строго говоря, рост всех кристаллов можно назвать эпитаксиальным: каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий

В основе метода лежит осаждение испаренного в молекулярном источнике вещества на кристаллическую подложку. Подложка диск из монокристаллического кремния, арсенида галлия или другой структуры диаметром 40, 60 или 102 мм.

Основные требования к установке эпитаксии : - В рабочей камере установки необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум (около 10 8 Па). - Чистота испаряемых материалов должна достигать 99, %. - Необходим молекулярный источник, способный испарять тугоплавкие вещества (такие как металлы). Особенностью эпитаксии является невысокая скорость роста пленки (обычно менее 1000 нм в час).

Основные принципы MOCVD-процесса

За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алферов и Герберт Крёмер,США, получили Нобелевскую премию в 2000 году. В рамках развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей и светодиодов.

Применение гетеростуктур-1

Полупроводниковые лазеры (лазерный диод на pn-переходе) CdS зеленое свечение, CdSe - красное, ZnSe - голубое. GaAs и CdTe - ИК области

Принцип действия полупроводникового лазера

Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель

В присутствии электромагнитного излучения (фотонов определенной энергии) с подходящей длиной волны в подходящем веществе (газе, жидкости, твердом теле, полупроводнике) могут наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов.

При переходе между состояниями электронов с энергией Ev и Ес излучение имеет частоту т.е. в свободном пространстве наблюдается волна где h – постоянная Планка, с – скорость света.

При взаимодействии излучения с атомами вещества, находящимися в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение фотонов и атомы перейдут на верхний энергетический уровень. Спонтанное излучение фотонов может происходить случайно. Когда во взаимодействии с излучением принимает участие возбужденный атом, т.е. находящийся в верхнем энергетическом состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти стимулированное излучение. Оно имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим излучением. Благодаря этому могут быть получены такие характеристики излучения как узкополосность, направленность, возможность модуляции в широкой полосе частот.

Для создания условия стимулированного излучения необходимо выполнение неравенства что свидетельствует о необходимости получения сильного электромагнитного поля (высокой концентрации фотонов) в веществе. Для того, чтобы вещество стало источником когерентного излучения, оно должно иметь область с инверсной населенностью (N2 > N1) и связанную с ней область пространства (резонатор), в которой происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет стимулированного излучения (E(f) > 1). Фотонное поле создается отражателями фотонов, образующими резонансную систему

Общая конструкция лазера

Определение резонатора для лазера В широком смысле резонатором называют колебательную систему, в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора.

Резонатор лазера должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми. Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды). Пример конструкции резонатора открытого типа (Фабри – Перо)

Познавательно….

Заставить атом перестать двигаться очень сложно, однако ученым удалось «заманить» единичный атом в «магнитооптическую ловушку», и запереть его там с помощью лазерных лучей, частота которых чуть ниже энергии возбуждения. Таким образом, частицы, двигаясь по лучу, поглощают свет, и из-за Эффекта Доплера они входят в резонансное состояние и замедляют движение в этом направлении. Далее, управляя положение зеркал и лучей, стало возможным запрограммировано изменять положение атомов, а также, располагать несколько атомов в ряд. Время «заморозки» атомов, в среднем больше чем на 15 секунд

Все эти эксперименты приближают к созданию новых элементов для квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры позволяют значительно сократить время проведения сложных вычислений за счет массивной параллельной обработки информации. Единицей информации в квантовых компьютерах является квантовый бит, который может кодироваться одним атомом или молекулой, но при условии, что удастся управлять их позицией, квантовым состоянием и взаимодействиям с другими частицами.

Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров

Подразделяются на -простейшие (гомолазеры) -двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо -полосковые с селекцией продольных мод, -с распределенной обратной связью (РОС), -с распределенными брэгговскими отражателями (РБО), -связанно – сколото - составные (С3), -с внешней синхронизацией мод -и так далее

Название "двойная гетероструктура" обозначает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера. Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1 ¸ 1 мкм. В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

Конструкция полоскового лазера Ф-П (с резонатором Фабри – Перо ) с двойной гетероструктурой

При малых токах накачки в активной области возникает спонтанное излучение. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозрачные зеркала. Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами.

При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало. При увеличении тока возрастает инверсная населенность и при N2 > N1 может произойти полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излучения. Такой режим работы прибора называется лазерной генерацией

Точные условия лазерной генерации основаны на решении системы дифференциальных уравнений, связывающих плотность фотонов и концентрацию носителей заряда в активном слое. Условия лазерной генерации имеют фазовую составляющую

Таким образом, полупроводниковый лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд. Спектральная характеристика лазера определяется - размерами резонатора, - спектром спонтанного излучения - выполнением условий генерации

Необходимо отметить, что характеристики излучения лазера не остаются постоянными. Например, величина порогового тока сильно зависит от температуры тела лазера

Для снижения зависимости порогового тока лазера от температуры в конструкциях применяют микрохолодильники на основе эффекта Пельтье. Эффект Пельтье термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников

Широкий спектр лазерных мод затрудняет процесс передачи информационных сигналов из-за дисперсии импульсов оптической мощности. Для преодоления этой проблемы разработаны различные конструкции одномодовых лазеров. Чаще других применяют -лазеры типа РОС (распределенная обратная связь) -лазеры с брэгговскими отражателями РБО -лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР В отличие от лазеров Ф-П в лазерах РОС и РБО положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создается не за счет зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера.

В лазерах РОС положительная обратная связь создается благодаря распределенной структуре под названием "гофр". Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем

Одномодовые лазеры РОС являются одними из основных источников излучения для протяженных волоконно- оптических линий.

Лазеры РБО имеют конструкцию, в которой активная область излучения находится вне зоны фильтрации моды. Это построение обеспечивает формирование спектральной линии уже, чем у лазера РОС на порядок.

В лазерах с вертикальными резонаторами ЛВР генерация оптического излучения происходит поперек p-n перехода. Такие лазеры могут формироваться группами на одной подложке микросхемы.

Особенности полупроводниковых лазеров

1. Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения - к 1 мкм Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение удается исключить нежелательные потери - вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов. 3. Удобство управления : низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

Особенности полупроводниковых лазеров 4. Возможность генерации требуемой спектральной линии выбор или синтез прямозонного полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны; возможность одномодового режима. 5. Использование твердотельной микроэлектронной групповой технологии высокая воспроизводимость параметров, пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность. 6. Совместимость с основным элементом микроэлектроники - транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей.

Применение гетеростуктур-2

Искусственные квантовые ящики и сверхрешетки находят все большее применение при разработке излучателей. По мере уменьшения толщин активных зон лазеров и светодиодов становятся существенными квантовые размерные эффекты, т.е. явления, в которых малые геометрические размеры рассматриваемых областей обязывают учитывать квантовую природу свободных носителей заряда.

Если толщину активной области двойной гетероструктуры уменьшить до длины волны де Бройля, то свободные электроны в этой области начнут вести себя подобно двухмерному газу. Это значит, что в любой конкретный момент времени могут быть указаны лишь две координаты электрона (y и z). Такая сверхтонкая ДГС представляет собой квантовую яму (или квантовый ящик), удерживающую двухмерный электронный газ.

Последовательное чередование большого числа таких ям образует сверхрешетку. Квантовые ящики и сверхрешетки изготавливают путем последовательного эпитаксиального выращивания сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводниковых соединений разного состава.

Применение полупроводниковых гетеролазеров в отечественной военной технике

Ракеты класса «Воздух-воздух». Ракета малой дальности 9М220О авиационного комплекса 9-А-2313 «Атака-В» снабжена неконтактным лазерным взрывателем, способным реагировать на воздушную цель при пролёте от неё на расстоянии менее 4 м

Ракеты класса «Воздух-воздух». Ракета средней дальности типа Р-77 и её модификации: РВВ-АЕ, РВВ-МДЛ, РВВ-СД. оснащена лазерным взрывателем (лазерный датчик угловых скоростей) 9-Х-1348

Лазерный взрыватель 9-Х-1348 Его работа заключается в облучении цели и определении по отражённому сигналу момента подрыва боевой части (на оптимальном расстоянии от цели). Параметры взрывателя адаптируются к размеру поражаемой цели. Предусмотрен также контактный взрыватель для случаев прямого попадания или падения на землю или в воду, или для самоуничтожения.

Ракеты класса «Воздух-поверхность». Антирадарная ракета Х-27ПС малой дальности Неконтактный лазерный взрыватель

Ракеты класса «поверхность-воздух». Переносной зенитно-ракетный комплекс «Игла-С» и ракета 9М39 Ракета оснащена лазерным взрывателем, обеспечивающим подрыв боевой части при её пролёте рядом с целью и системой управления разлётом осколков боевой части в зависимости от ракурса сближения ракеты с целью, что существенно повысило возможность поражения малоразмерных целей.

Зенитный ракетный комплекс «Стрела-10М3» 9К35М3 с ракетой 9М333

Зенитный ракетно-пушечный комплекс 2К22М «Тунгуска-М» (SA-19 Grison) с ракетой 9М311.

Спасибо за внимание ! :)