Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

ствии внешнего напряжения, и р—«-перехода, смещенного

впрямом направлении. При соединении полупроводников р-

и«-типов на мгновение выполнится условие инверсии (18.1), однако через короткий промежуток времени электроны ча­ стично перейдут из зоны проводимости в валентную и уров­ ни Ферми выравняются; исчезнет одновременное вырожде­ ние электронов и дырок, а значит, и инверсия населенностей. Для поддержания инверсного состояния необходимо, чтобы уровни Ферми в областях п- и д-типов снова разошлись на расстояние, большее ширины запрещенной зоны Л№. С этой

целью к р—«-переходу необходимо приложить внешнее на­ пряжение в прямом направлении, которое будет осуществ­ лять инжекцию электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону. При этом через р—«-переход потечет ток, обязанный движению электроноб и дырок навстречу друг другу. Эти два потока частиц рекомбинируют в д—«-пере­ ходе и излучают свет. Условие инверсии выполняется тем луч­ ше, чем выше электрическое поле в переходе и больше ток через него. Минимальное значение тока, при котором вынуж­ денное излучение превышает потери света в р—«-переходе, называется п о р о г о в ы м т о к о м. При понижении темпера­ туры величина порогового тока уменьшается, поскольку лег­ че становится обеспечить вырождение электронов и дырок. Экспериментально установлено, что плотность порогового

GaAs при комнатной температуре плотность порогового тока доходит до 105 А/см2, а при охлаждении до температуры жидкого гелия она падает до 100 А/см2.

Схематично устройство полупроводникового ОКГ пока­ зано на рис. 72. Здесь 1 — р—«-переход; 2 — излучение; 3 — торцовые поверхности, образующие оптический резонатор;

146

трический контакт с «-областью. Активная область, в кото­ рой создается излучение, расположена в тонком слое мате­ риала полупроводника по обе стороны от р—«-перехода за счет того, что электроны и дырки проскакивают через пере­

ход в «- и р-области.

Малые размеры инжекционных ОКГ и высокая концент­ рация частиц не позволяют получить высокую направлен­ ность и малую ширину линии излучения. Малые размеры

ограничивают также величину мощности излучения. Однако высокий КПД, простота конструкции, наряду с малыми габа­ ритами, возможностью работы при комнатной температуре и другими достоинствами, обеспечивают широкое практическое

применение таких ОКГ.

Современные инжекционные полупроводниковые ОКГ мо­ гут работать как в импульсном, так и в непрерывном ре­ жимах; работа в непрерывном режиме возможна лишь при

охлаждении ОКГ.

В настоящее время генерация получена на фосфиде гал­ лия GaP, антимониде индия и галлия (InSb, GaSb), арсениде этих же элементов (InAs, GaAs), сульфидах и селенидах кадмия и цинка (CdS, ZnS, CdSe, ZnSe) и ряде других полу­

проводниковых материалов.

Наилучшие результаты достигнуты в инжекционном ОКГ на арсениде галлия, который и получил наибольшее распро­ странение. Работая при комнатной температуре, ОКГ гене­ рирует импульсную мощность до 100 Вт при длительности импульса 1 0 ” 8 с; такого же порядка мощность может быть получена при температуре жидкого азота и длительности им­ пульса 1 0 _ 6 с; средняя мощность при частоте повторения им­

пульсов более 10 кГц приблизительно составляет 0,5 Вт; наи­ высшая частота повторения — 200 кГц. В режиме непрерыв­ ной генерации достигнута мощность 10 Вт при охлаждении до гелиевых температур. Длина волны излучения' может из­ меняться в пределах от 0,82 до 0,91 мкм в зависимости от

веществами удается перекрыть диапазон длин волн от види­ мого до инфракрасного включительно (А~32 мкм).

Полупроводниковые ОКГ с другими механизмами воз­ буждения находятся пока еще в стадии лабораторных иссле­ дований. Принципиально они могут обеспечить более высо­ кую выходную мощность, использовать в качестве рабочих веществ более широкий круг полупроводниковых материалов

иперекрыть больший диапазон длин волн.

§18.4. Жидкостные оптические квантовые генераторы.

Весьма перспективными оптическими квантовыми генерато­ рами являются ОКГ, в которых в качестве рабочего вещества используются жидкие диэлектрики с растворенными в них атомами редкоземельных элементов (например, 5-процент­ ные растворы гадолиния, 2 -процентные растворы самария и неодима). Кроме того, активной средой жидкостных ОКГ мо­ гут служить растворы органических комплексов редкоземель­ ных элементов (хелаты) или органических красителей. Жид­ костные ОКГ объединяют преимущества твердотельных (высокая импульсная мощность) и газовых генераторов (ма­ лая расходимость луча); достоинства их определяются воз­ можностью использования растворов с большой концентра­ цией активных микрочастиц, отсутствием ограничений на длину рабочего объема, возможностью использования цирку­ лирующей жидкости и высокой оптической однородностью^ активной среды. Применение жидкостей освобождает также от проблем, связанных с выращиванием и обработкой кри­ сталлов. Жидкостные ОКГ на органических красителях прин­ ципиально позволяют обеспечить плавную перестройку ча­ стоты генерации.

Исследование структуры энергетических уровней рабочих веществ, использующих примеси редкоземельных элементов, показали, что она близка к структуре уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому механизм образо­

148

вания инверсных состояний в жидкостных ОКТ такого типа тот же, что и в твердотельных. Накачка осуществляется либо с помощью импульсных газосветных ламп, либо излучением другого ОКГ. Устройство жидкостного ОКГ схематично пока­ зано на рис. 73, где 1 и 4 — зеркальные поршни; 2 — рабочая

устойчивость жидкостей по отношению к большим уровням интенсивности излучения накачки и генерации.

Основные энергетические характеристики современных жидкостных ОКГ близки к соответствующим характеристи­ кам твердотельных ОКГ.

Г л а в а 19

Модуляция и прием оптических колебаний

§ 19.1. Методы модуляции излучения оптических кванто­ вых генераторов. Практическое применение ОКГ для целей передачи информации требует эффективных методов моду­ ляции излучения. Все известные методы могут быть разде­ лены на четыре вида: амплитудную, частотную, фазовую и

Рис. 74

поляризационную модуляцию; при этом их можно осущест­ вить как в процессе генерирования излучения ОКГ (внутрен­ няя модуляция), так и путем воздействия на излучение вне самого ОКГ (внешняя модуляция). Наибольшее распростра­ нение в настоящее время получили методы амплитудной мо­ дуляции, основанные на электро- и магнитооптических эф­ фектах, заключающихся в повороте плоскости поляризации световой волны во внешних электрических или магнитных полях. Принцип работы таких модуляторов понятен из рис. 74. Неполяризованный луч I падает на систему, состоя­

149

щую из двух скрещенных (по оптическим осям) поляризаци­ онных призм 2 и 4 и размещенного между ними преобразо­ вателя 3, поворачивающего плоскость поляризации проходя­ щей через него световой волны в соответствии с законом изменения электрического или магнитного поля. В качестве поляризационных призм (поляризатора 2 и анализатора 4) могут быть использованы призмы Николя. Поскольку призмы скрещены, система'в целом непрозрачна для света при от­ сутствии внешнего поля. С помощью электрического или маг­ нитного поля, приложенного к преобразователю, можно ме­ нять плоскость поляризации световой волны после призмы 2 и тем самым изменять интенсивность выходного излучения 5 в широких пределах. Изменение характера поляризации оптического излучения может быть осуществлено с помощью, эффектов Фарадея, Керра и Поккельса.

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в пово­ роте плоскости поляризации световой волны при прохожде­ нии ее через вещество вдоль линий сильного магнитного по­ ля. Эффект Фарадея проявляется во многих жидких, твердых и газообразных веществах (вода, сероуглерод, стекло, сурь­ мянистый индий, железоиттриевый гранат и др.), но в редких случаях достигает величины, достаточной для практического применения. Кроме того, он требует значительных магнит­ ных полей, больших затрат СВЧ мощности и характеризуется

большими потерями света.

Линейный электрооптический эффект, или эффект Пок­ кельса, состоит в повороте плоскости поляризации световой волны твердыми оптически прозрачными кристаллическими диэлектриками при приложении к ним продольного или поперечного электрического поля. Диэлектрики ориентируют так, чтобы их оптическая ось совпадала с направлением рас­ пространения световой волны. Эффективность работы такого преобразователя пропорциональна напряженности приложен­ ного электрического поля. Наибольшее распространение в модуляторах на основе эффекта Поккельса'получили кри­ сталлы KDP (дигидрофосфат калия) и ADP (дигидрофосфат аммония).

150