• Сверхбыстродействующее детектирование оптических сигналов в полупроводниковых структурах на контакте металл-полупроводник

  Руководитель направления Аверин Станислав Владимирович вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  В рамках направления исследованы различные виды фотодетекторов на основе структуры ZnSe/ZnS/GaAs: многоцветные фотодетекторы, двухцветные фотодетекторы с брэгговским отражателем. В последнее время кроме упомянутой структуры более интересными и перспективными оказались фотодетекторы на основе гетероструктуры ZnCdSe / ZnS/GaAs.
  Отметим, что детектирование УФ - и видимого излучения до недавнего времени выполнялось почти исключительно на Si- и GaAs-детекторах. Основной недостаток таких детекторов - деградация параметров при воздействии излучения с энергией фотона существенно превышающей ширину запрещенной зоны Si и GaAs. По этим причинам в качестве активных слоев фотодетекторов УФ- и видимой части спектра в настоящее время интенсивно исследуются широкозонные полупроводниковые материалы GaN, ZnO, ZnSe и их твердые растворы. Широкозонный полупроводник позволяет реализовать низкий темновой ток и высокую надежность при освещении высокоэнергетичными фотонами, а подбором параметров гетероэпитаксиальных слоев может быть реализован узкополосный отклик детектора. Это обеспечивает фильтрацию принимаемого полезного сигнала и, тем самым, повышает помехозащищенность оптической информационной системы. Ниже приводятся характеристики спектрального отклика и квантовой эффективности МПМ (металл-полупроводник-металл) - фотодетектора видимого излучения на гетеробарьерной структуре ZnCdSe/ZnSe.
  
      Эксперимент
  МПМ-детектор изготовлен в виде встречно-штыревых барьерных контактов Шоттки. В качестве активного слоя детектора использовалась гетеробарьерная структура ZnCdSe/ZnSe, выращенная методом химического газофазного осаждения из металлоорганических соединений (MOVPE) на полуизолирующей подложке GaAs толщиной 300 нм (рисунок 1). Толщина слоев ZnCdSe 132 нм и ZnSe 805 нм рассчитана по спектрам отражения.Для изготовления барьерных контактов Шоттки MПM-диода напыляли два слоя - барьерный Ni (90 нм) и защитный Au (70 нм). Затем на поверхности структуры методами фотолитографии были сформированы встречно-штыревые контакты MПM-диода с шириной 2.8 мкм, длиной 100 мкм и расстоянием между ними 3 мкм. Фоточувствительная область MПM-детектора равна 100x100 мкм².
  

  

  Рисунок 2 - Микрофотография фрагмента поверхности MПM-фотодетектора; длина Ni-Au встречно-штыревых контактов 100 мкм, ширина 2.8 мкм, расстояние между ними 3 мкм

  Морфология поверхности выращенных эпитаксиальных пленок исследована на атомно-силовом микроскопе Smart SPM (AIST-NT). Поверхность полупроводниковой структуры была достаточно плотной и состояла из равномерно распределенных монокристаллических блоков. Согласно измерениям шероховатость ростовой поверхности полупроводниковой структуры на площади 20х20 мкм2 составила (root mean square) RMS = 22 нм. На рисунке 2 представлена микрофотография фрагмента поверхности изготовленного MПM-фотодиода.

• Управление параметрами оптического поля посредством акустооптического взаимодействия

  Руководитель направления Котов Владимир Михайлович вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  На протяжении нескольких лет перед лабораторией стояла задача разработки методов высокоскоростной модуляции двухцветного излучения посредством использования акустооптической брэгговской дифракции. Были разработаны несколько вариантов.
  
      Вариант с двойным прохождением излучения через АО ячейку
  Акустооптические (АО) элементы находят широкое применение в различных устройствах, использующих оптическое излучение, поскольку позволяют достаточно просто управлять параметрами луча – его амплитудой, фазой, частотой, поляризацией и т.д. На их основе могут создаваться высокоскоростные модуляторы оптического излучения, основанные на сложении двух циркулярно поляризованных взаимоортогональных лучей, частоты которых разнесены на некоторую величину f . При пропускании такого излучения через поляризатор формируется модулированный по амплитуде сигнал, частота модуляции которого равна f. Такие модуляторы крайне востребованы, например, для лазерных доплеровских анемометров. В двухкоординатных анемометрах, когда источником излучения являются двухцветные лазеры, АО элементы выполняют две функции - расщепляют двухцветное излучение на монохроматические составляющие и сдвигают частоту каждой монохроматической компоненты на частоту звука. На основе таких элементов разработаны различные варианты двухцветных ЛДА, большинство из которых основано на использовании дифференциальной схемы. Использование такой схемы позволяет измерять допплеровский сдвиг независимо от направления рассеянного излучения, т.е. измерять оптический сигнал в широкой угловой апертуре, увеличивая тем самым чувствительность ЛДА.
  Нами разрабатывается другой подход, когда зондирующий объем формируется лучами с вращающимися векторами поляризаций. Такие лучи так же являются результатом интерференции лучей с разными частотами. Поскольку интерферирующие лучи распространяются в одном направлении, существенно упрощается перемещение суммарного луча, его фокусировка и т.п. Схема с использованием луча с вращающимся вектором поляризации не требует использования сложной коллимирующей оптики, что существенно уменьшает габариты конструкции, его вес, стоимость и т.д.
  На рисунке 1(а, б) приведены векторные диаграммы, положенные в основу варианта, когда двухцветное оптическое излучение дважды проходит через АО ячейку, приобретая при этом вращение поляризации с частотой, задаваемой частотой звуковой волны.
  

  а) б)

  Рисунок 1 - Распространение двухцветного излучения в прямом (а) и обратном (б) направлениях через одноосный гиротропный кристалл

  
      Скоростные модуляторы с формированием единого луча на основе использования двух АО ячеек
  Здесь разработаны два варианта. Первый вариант приведен на рисунке 4 (а). Здесь в качестве источника излучения использовался Ar-лазер, генерирующий линейно-поляризованное излучение, две наиболее яркие линии которого имеют длины волн λ₁= 0.514×10^-4 см и λ₂ = 0.488×10^-4 см. . На рисунке 5 приведена другая схема [16], обеспечивающая вращение поляризации двухцветного излучения. Здесь так же используются две АО ячейки, развернутые относительно друг друга на угол ~ 90 град. Дифрагировавший и недифрагировавший лучи, выходящие из первой ячейки, отражаются зеркалами М1 и М2 на вход второй ячейки. Эта конструкция позволяет минимизировать разность хода между лучами, которые интерферируют на выходе второй ячейки, этим самым улучшая картину интерференции.
  

  а) б)

  Рисунок 4 - Оптическая схема экспериментальной установки (а) и фотография дифрагировавших пятен на расстоянии 1 м от экрана до второй АО-ячейки (б); K_вх, T_вх – входное двухцветное излучение, K_вых, T_вых – выходное двухцветное излучение; М₁ и М₂ – зеркала; П – заслонка; штриховые стрелки -дифрагировавшее излучение, сплошные – непродифрагировавшее. направлениях. На обе ячейки подавались электрические сигналы от одного генератора. Напряжение сигнала, выдаваемое генератором, равнялось ~8 В на нагрузке 50 Ом. Частота звука равнялась 109 МГц. Излучение, дифрагировавшее в первой АО ячейке, отражалось зеркалами М₁ и М₂ на вход второй ячейки. После повторной дифракции во второй ячейке все лучи объединялись в один луч, поляризация которого вращалась с частотой звука f. На рисунке 4(б) приведено пятно от «сведенных» выходных лучей, наблюдаемое на экране, расположенном на расстоянии ~1 м от второй АО ячейки. Видно, что пятно достаточно однородное, т.е. все лучи «сложились» в одно излучение.

  На рисунке 5 приведена другая схема, обеспечивающая вращение поляризации двухцветного излучения. Здесь так же используются две АО ячейки, развернутые относительно друг друга на угол ~ 90 град. Дифрагировавший и недифрагировавший лучи, выходящие из первой ячейки, отражаются зеркалами М1 и М2 на вход второй ячейки. Эта конструкция позволяет минимизировать разность хода между лучами, которые интерферируют на выходе второй ячейки, этим самым улучшая картину интерференции.
  

  

  Рисунок 5 - Оптическая схема второго устройства. Здесь: I0 – падающее двухцветное излучение; АО-1, АО-2 – АО ячейки; 1 – непродифрагировавший луч; 2,3 – продифрагиро- вавшие лучи в ячейке АО-1; 4,5 – продифрагировавшие лучи в ячейке АО-2; М₁, М₂ – отражающие зеркала; f – сигнал, подводимый к ячейкам.

• Обработка двумерных изображений на двух длинах волн оптического излучения с использованием двухцветного АО фильтра пространственных частот

  Руководитель направления Котов Владимир Михайлович вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  Разработана методика выделения двухмерного контура оптического изображения, переносимого двухцветным оптическим излучением, с использованием акустооптического (АО) пространственного фильтра. Предложены два режима брэгговской дифракции, положенные в основу пространственных АО фильтров – с отклонением дифрагировавших монохроматических компонент двухцветного излучения по одну сторону и по разные стороны от падающего излучения. Принципиальной особенностью разработанных фильтров является наличие дополнительного дифракционного порядка, способствующего формированию квази-двумерной передаточной функции. Для обработки изображений предложено использовать первый порядок дифракции. Показано, что невозможно получить двумерный контур оптического излучения одновременно на двух длинах волн. Найдены варианты распределения передаточной функции для двух длин волн 0.488 ×10^-4 см и 0.514 ×10^-4 см, при которых переход от одной длины волны света к другой с сохранением операции выделения двумерного контура обеспечивается посредством изменения только мощности звука. Теоретически показано, что такая операция осуществима в полосе частот звука от 40 до 110 МГц. Экспериментально подтверждена возможность поочередного формирования контура на разных длинах волн с изменением мощности звука. Эксперимент выполнен на примере формирования контура изображения в виде квадрата с использованием двухцветного излучения Ar лазера, генерирующего на длинах волн 0.488 ×10^-4 см и 0.514 ×10^-4 см, при этом фильтром пространственных частот служила АО ячейка из ТеО₂. Частота электрического сигнала, подаваемого на АО ячейку, равнялась 51 МГц для первого режима брэгговской дифракции, и 57 МГц - для второго.
  На рисунке 1 приведена оптическая схема Фурье-обработки идвухцветного излучения, когда дифрагировавшие лучи распространяются по одну сторону от падающего луча. Здесь входное линейно поляризованное оптическое излучение, генерируемое лазером R на длинах волн λ₁ и λ₂, проходит ахроматическую пластинку λ/4, и направляется на щель S, которая имитирует входное изображение устройства. Затем излучение направляется на систему линз L₁ и L₂ с одинаковым фокусным расстоянием F. За линзой L₂ расположен экран P. Расстояние между изображением S и линзой L₁, а так же между линзой L₂ и экраном P равно F. Расстояние между линзами L₁ и L₂ равно 2F. Строго посередине между линзами расположен а.о. модулятор АОМ, выполняющий функцию фильтра пространственных частот. На фильтр подается синусоидальный сигнал частотой f. Линза L₁ выполняет операцию Фурье-преобразования, линза L₂ - повторное Фурье-преобразование, эквивалентное обратному преобразованию. В фильтре АОМ формируется Фурье-образ изображения, переносимого двухцветным излучением. После а.о. дифракции двухцветного излучения на акустической волне, распространяющейся в фильтре, на экране P отображается результат двойного Фурье-преобразования в сочетании с воздействием фильтра АОМ. Результат представляется в виде изображений в нулевом порядке «0» и в первом дифракционном порядке «1» . При этом изображения, получаемые от разных длин волн, в нулевом порядке дифракции «сливаются» между собой, а в 1-м – разделены.
  

  

  Рисунок 1 - Оптическая схема Фурье-обработки изображения. Излучения λ₁ и λ₂ дифрагируют по одну сторону от падающего луча.

  Установка для получения излучений, формируемых в дифракционных порядках по разные стороны от падающего излучения, аналогична Рис. 1, только реализуется на другой частоте звука.

  

  Рисунок 2. Передаточные функции для излучений с длинами волн λ₁= 0.514×10^-4 см (а) и λ₂= 0.488×10^-4 см (б), построенные при акустических мощностях P_ac, равных 0.059 и 0.049 Вт, соответственно; (в) – обрабатываемое изображение; (г) и (д) – результаты обработки излучений λ1 и λ2 с помощью функции (а); (е) и (ж) – результаты обработки λ₁ и λ₂ с помощью функции (б).

  На рис. 2 приведены передаточные функции нулевого порядка дифракции для разных длин волн, а так же результаты Фурье-обработки изображения в виде прямоугольника с использованием полученных передаточных функций.
  На рис. 3 приведены фотографии изображения в зеленом и синем цвете, соответствующие длинам волн 0.514 ×10^-4 см и 0.488 ×10^-4 см генерации Ar лазера, полученные в отсутствие напряжения, подаваемого на преобразователь, и при наличии напряжения.
  

  

  Рисунок 3. Исходное изображение (а) и изображение после оптической Фурье-обработки (б). Верхний ряд рисунков – обработка в зеленом цвете (0.514 ×10^-4 см) , нижний – в синем (0.488 ×10^-4 см).

• Для обработки двумерных оптических изображений на основе Фурье-метода предложено использовать акустооптическую ячейку в качестве фильтра пространственных частот, в которой реализуется брэгговская дифракция двух собственных мод кристалла на одной акустической волне. Метод позволяет обрабатывать изображения на предельно низких частотах звука, что обеспечивает максимально возможную полосу пропускания пространственных частот и минимальный размер разрешаемого элемента. Основные теоретические выводы экспериментально подтверждены с использованием акусто-оптического (АО) фильтра из парателлурита, предназначенного для обработки изображений, формируемых на длине волны света 0.63 μм. Частота звука АО ячейки составила ~9 МГц.

  
  

  Фотография прямоугольного и круглого отверстий в процессе оптической Фурье-обработки. Рисунки слева – нулевой брэгговский порядок, справа - +1-й.

  Публикации:
  
  • Kotov V.M., Averin S.V., Kotov E.V., Shkerdin G.N. Acousto-optic filters based on the superposition of diffraction fields [invited] //Applied Optics. 2018. V.57. No 10. P. C83-C92.

• Разработан двухканальный акустооптический (АО) модулятор для лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА), преобразующий частотный сдвиг оптического излучения в высокочастотную амплитудную модуляцию. Создан и испытан широкоапертурный модулятор из монокристалла ТеО₂ для модуляции излучения с длиной волны 0.63 мкм с двумя выходными оптическими лучами, поляризации которых взаимно ортогональны. Амплитуды лучей промодулированы на частоте ~100 МГц, при этом модуляция лучей происходит в противофазе.

  
  

  Фотографии сигналов с экрана осциллографа, полученные на частоте звука 100 МГц. 1, 2 – сигналы модуляции оптического луча; 3 – электрический сигнал, подаваемый на АО -ячейку. Развертка по времени – 0.25 нс/деление; развертка по напряжению: 1, 2 – 0.5 мВ/деление и 3 – 10 мВ/деление.

  Публикации:
  
  • Котов В.М., Воронко А.И., Тихомиров С.А. Двухканальный высокочастотный акустооптический модулятор // ПТЭ. 2019. №4. С. 89-94.

• Разработана методика расчета параметров импульсного АО модулятора, предназначенного для модуляции многоцветного излучения с заданным спектром и оперирующего на максимально возможной частоте звука. Методика продемонстрирована на примере расчета параметров модулятора из ТеО₂, разработанного для модуляции многоцветного излучения Ar лазера, генерирующего в сине-зеленой области спектра в диапазоне 0.45 – 0.52×10^-4 см. Экспериментально получена модуляция многоцветного излучения Ar лазера на частоте звука 180 МГц, временем нарастания импульса ~ 25 нс и эффективностью дифракции ~ 60%, что по своим характеристикам не уступает модуляторам монохроматического излучения.

  а) б)

  Электрический сигнал, подаваемый на АО ячейку (а) и сигнал, снимаемый с фотоприемника (б)

  Публикации:
  
  • Котов В.М. , Аверин С.В., Булюк А.Н., Воронко А.И., Житов В.А., Тихомиров С.А. Импульсная модуляция многоцветного излучения аргонового лазера //Оптический журнал. 2020. Т.87. № 7. С. 3-8.

• Исследовано выделение двумерного контура оптического изображения с использованием пространственного акустооптического (АО) фильтра, работающего на двух длинах волн оптического излучения, что существенно увеличивает надежность измерений, а так же уменьшает влияние шумов. Работа фильтра основана на дифракции света в два дифракционных порядка. Показано, что в общем случае невозможно получить двумерный контур одновременно на двух длинах волн при одних и тех же энергетических и частотно-угловых параметрах АО фильтра. Найден вариант, позволяющий перейти от одной длины волны к другой с сохранением операции выделения контура посредством изменения мощности звука. Вариант экспериментально подтвержден на примере формирования двумерного контура с использованием двухцветного излучения Ar лазера, генерирующего на длинах волн 0.488 ×10^-4 см и 0.514 ×10^-4 см, и АО ячейки из ТеО₂, работающей на частоте звука 57 МГц.

  

  Передаточные функции для излучений с длинами волн λ₁= 0.514×10^-4 см (а) и λ₂= 0.488×10^-4 см (б), построенные при акустических мощностях Pac, равных 0.059 и 0.049 Вт, соответственно; (в) – обрабатываемое изображение; (г) и (д) – результаты обработки излучений λ₁ и λ₂ с помощью функции (а); (е) и (ж) – результаты обработки λ₁ и λ₂ с помощью функции (б).

  Публикации:
  
  • Котов В.М. Выделение двумерного контура изображения с использованием фильтра пространственных частот двухцветного излучения// Квантовая электроника. 2021. Т.51. № 4. С. 348-352

• Исследованы характеристики АО фильтра пространственных частот, предназначенного для обработки двумерных изображений и работающего в промежуточной области АО дифракции. Получены передаточные функции дифракционных порядков. Экспериментально продемонстрировано выделение контура изображения, переносимого оптическим излучением на длине волны света 0.63×10^-4 см с использованием АО пространственного фильтра из ТеО₂, работающего на частоте 15 МГц. Полученный результат позволяет в ~4 раза увеличить максимальное разрешение АО ячейки в сравнении с традиционно используемой тангенциальной геометрией АО взаимодействия.

  

  Распределение передаточной функции первого дифракционного порядка.

  Публикации:
  
  • Котов В.М., Аверин С.В., Карачевцева М.В., Яременко Н.Г. Акустооптический фильтр пространственных частот, оперирующий в промежуточной области // Оптический журнал. 2022. Т. 89, № 1. С. 54-62.

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН