Вышедшие номера
Применение генератора импульсов тока на диоде Ганна для модуляции полупроводниковых лазеров
Домрачев С.И.1, Алавердян С.А.1, Скороходов В.Н.1
1Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Научно-исследовательский институт механики и физики, Саратов, Россия
Поступила в редакцию: 21 ноября 1997 г.
Выставление онлайн: 19 апреля 1999 г.

Диод Ганна (ДТ) широко применяется как достаточно эффективный генератор сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний в диапазоне от одного до сотен GHz. В нерезонансной широкополосной цепи колебания тока ДГ имеют вид периодической последовательности коротких импульсов, длительность которых может составлять десятки пикосекунд, амплитуда --- несколько ампер. При этом частота следования, амплитуда и длительность импульсов относительно слабо зависят от величины и характера нагрузки (в известных пределах), т. е. импульсный ДГ генератор является СВЧ генератором тока. При соответствующей доработке конструкции ДГ и электродинамической системы возможны режимы синхронизации, управления внешним информационным сигналом. Указанные свойства позволяют использовать ДГ в качестве быстродействующих управляющих элементов в функциональных устройствах микроэлектроники [1,2], в частности для модуляции полупроводниковых инжекционных лазеров (ИЛ). Сложность получения эффективной модуляции ИЛ определяется тем, что ИЛ является низкоомной нелинейной нагрузкой с реактивной составляющей. Поскольку импеданс ИЛ зависит от частоты и амплитуды сигнала [3], то согласовать его с источником накачки в широкой полосе весьма сложно. Реальное быстродействие ИО ограничивается также релаксационными колебаниями оптоэлектронной природы [3], возникающими в собственно лазерной структуре или в системе ИЛ--управляющая цепь в общем случае. Паразитные релаксации могут быть подавлены или ослаблены, если для модуляции ИЛ использовать ДГ в режиме генератора тока. Низкий импеданс ИЛ является благоприятным обстоятельством для устойчивой работы ДГ. Модуляция ИЛ в цепи ДГ исследовалась в работах [4-6]. В этих экспериментах токовые характеристики ДГ и ИЛ не были согласованы, фактически лазеры управлялись напряжением через пассивную разделительную цепь. Так как использовались неоптимальные режимы модуляции, в выходном излучении наблюдались сильные релаксации [6]. В настоящей работе исследуется модуляция ИЛ короткими и ступенчатыми импульсами тока диода Ганна при соблюдении режима генератора тока в управляющей цепи. Приводятся также результаты модуляции ИЛ импульсами от генератора напряжения. СВЧ стабилизация тока в цепи нагрузки ДГ осуществляется вследствие быстрой перестройки электрических доменов в образце ДГ при изменении какого-либо из параметров цепи: сопротивления нагрузки, напряжения питания и др. Время перестройки и соответственно время установления (стабилизации) тока не превышают времени формирования домена, которое может быть оценено по формуле приведенной в [1], tf=(3.5)/(mu) sqrt(Lvarepsilon/8pi qn0(Et-Er))sqrt где L --- длина диода, varepsilon --- диэлектрическя проницаемость материала ДГ, mu --- подвижность носителей, q--- заряд электрона, n0 --- концентрация носителей, Et --- пороговое поле (3.2· 105 V/m в GaAs), Er --- остаточное поле в образце с доменом; при оценках можно полагать Er~ Et/2. Для применявшихся в настоящей работе ДГ (параметры см. ниже) оценка времени формирования (длительности импульса тока) дает tf~ 15 ps. Переходное время возрастает до tR [2], если последовательно с диодом включается резистивная нагрузка RL tR=tf sqrt(1+RL/R0)sqrt где R0 --- малосигнальное сопротивление ДГ. Таким образом, длительность переходных процессов минимальна, если сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением ДГ. Источник питания ДГ также должен иметь малое внутреннее сопротивление. Для эффективного использования режима генератора тока ИЛ следует включать непосредственно в цепь ДГ без делителей или согласующих элементов. Параметром качества ДГ является величина eta=delta I/It=(It-Ir)/It, где It --- пороговый (максимальный) ток ДГ, Ir --- остаточный (минимальный) ток. В GaAs диоде теоретически может быть получено eta~ 0.6; экспериментальные значения eta=0.3-0.5. Величина delta I определяет амплитуду модуляции тока накачки ИЛ. Максимальная глубина модуляции излучения достигается, когда минимальный ток ДГ Ir равен пороговому току ИЛ ith. При таком условии согласованный с лазером ДГ обеспечивает накачку ИЛ импульсами тока амплитудой до 2ith. В наших экспериментах исследовались серийные ИЛ на основе двойной гетероструктуры с полосковым контактом, в частности типа V-канавки и "погруженный" канал. Типичные характеристики лазеров были следующими: пороговый ток 40-50 mA, максимальная мощность до 10 mW при токе 90-100 mA, рекомендованная для использования мощность ~ 5 mW при токе 70 mA. Длины волны излучения 0.85 и 1.3 mum. При питании от стандартных источников при импульсной модуляции данных лазеров в излучении наблюдались релаксационные автоколебания разной степени выраженности. [!tb] Схема измерений. Пояснения в тексте. Исследовавшаяся схема модуляции (рис. 1) содержит следующие элементы: GD --- диод Ганна, IL --- инжекционный лазер, зарядная цепочка C1R1 для регулировки напряжения на ДГ, R2 --- нагрузочный резистор для контроля тока модуляции, резистор R3 --- цепь для подвода к лазеру напряжения постоянного смещения, Ph --- фотоприемник, S --- двухканальный осциллограф. Электродинамическая система макета модулятора образована копланарной линией, в разрыв которой последовательно включены управляющий ДГ и лазерный диод. Элементы системы размещены на керамической подложке марки 22XC. В качестве источника смещения цепи ДГ--ИЛ использовался импульсный генератор L-2391 (формирователь на длинной линии с ртутным коммутатором) с выходным сопротивлением 50 Omega. Выходное излучение ИЛ регистрировалось лавинным фотодиодом ЛФД-2. Сигналы с контрольного резистора R2 и с нагрузки фотодиода (50 Omega) наблюдались на стробоскопическом осциллографе С1-70. Согласование токовых характеристик ДГ и ИЛ осуществлялось выбором подходящих размеров (длина, сечение) кристаллов-заготовок ДГ. Активное сопротивление прямосмещенного ИЛ составляет Rl~ 5-10 Omega. Малосигнальное сопротивление ДГ задавалось в диапазоне 200-250 Omega, так что выполнялось условие R0/Rl>=q 20. Диоды имели планарную конструкцию с торцевыми омическими контактами, изготовлялись из эпитаксиального GaAs с концентрацией n0=2· 1021 m3 и подвижностью mu~ 0.63 m2/Vs. Образцы приклеивались поверхностью эпитаксиального слоя на кремниевые подложки с контактами для подключения в схему модулятора. Толщина склейки составляла ~ 0.5 mum, что обеспечивало теплоотвод и предохраняло поверхность ДГ от пробоя электрическим полем домена. Контакты ДГ изготовлялись вжиганием эвтектики Au--Ge, напыленной на торцы кристаллов, по технологии, аналогичной [7]. Типичные размеры кристалла ДГ 100x 80x 20 mum (длина x ширина x толщина); пороговое напряжение ДГ ~ 30 V, пороговый ток ~ 100 mA. На рис. 2 представлена осциллограмма колебаний тока диода 3G38, применявшегося для модуляции ИЛ, полученная в тестовой электродинамической системе при смещении диода импульсами транзисторного формирователя с выходным сопротивлением ~ 8 Omega. [!b] Тестовая осциллограмма модулирующего диода Ганна (17 mA/div по вертикали, развертка 0.5 ns/div.) Осциллограммы модуляции в режиме генератора тока в согласованной по току паре ДГ--ИЛ представлены на рис. 3--5. Диод Ганна 3G38 (R0=240 Omega, пороговое напряжение 30 V) в пролетной моде колебаний с частотой 910 MHz генерировал импульсы с параметрами It=96 mA и Ir=52 mA. Наблюдаемая длительность импульсов тока ~ 0.1 ns (рис. 2). Инжекционный лазер N 29 (lambda=0.85 mum) имел пороговый ток ith=48 mA и рекомендованную рабочую мощность 5 mW при токе 67 mA. При увеличении тока до 96 mA выходная мощность проявляла тенденцию к насыщению на уровне 9 mW. Регулировкой постоянного смещения ИЛ изменялась глубина модуляции излучения и величина нагрузки ДГ. При нулевом и положительном (рис. 3) смещениях в выходном излучении имеется постоянная составляющая, глубина модуляции излучения меньше единицы. Длительность токовых импульсов и глубина модуляции тока ДГ практически не зависят от смещения ИЛ; таким образом, влияние нагрузки в этих случаях незначительно. Для достижения 100% глубины модуляции в цепь смещения ИЛ подавалось напряжение в запорном направлении; таким образом компенсировалось превышение минимального тока ДГ над пороговым током ИЛ. Сопротивление ИЛ и соответственно нагрузка для ДГ при этом возрастали, что отражалось на форме импульсов тока: их длительность и амплитуда несколько увеличивались (рис. 4, 5). [!tb] Верхняя трасса --- ток модуляции (23 mA/div), нижняя трасса --- отклик фотодиода (60 mV/div). [!tb] То же, что и на рис. 3. Развертка 1 ns/div. [!tb] То же, что и на рис. 3. Результаты данных экспериментов показывают, что режим генератора тока при модуляции ИЛ в цепи ДГ удовлетворительно выполнялся во всем исследованном диапазоне смещений ИЛ. Смещение регулировалось от -2 (ток ИЛ 15 mA) до +5 V запорного напряжения на входе цепи смещения R3. Релаксационные колебания в выходном излучении ИЛ отсутствовали, его форма соответствовала форме модулирующего тока. Вторая гармоника в выходном излучении более выражена вследствие большей крутизны ватт-амперной характеристики ИЛ в области малых токов. Наблюдаемые значения длительности оптических импульсов составляют ~ 0.2 ns (время нарастания/спада ~ 0.2 ns). Оценим величину реальной длительности импульсов tau, учитывая время нарастания переходной характеристики (постоянной времени) фотоприемной системы. Для оценки используем формулу Эльмора [8] tau=sqrt(tau20-tau2p-tau2s)sqrt, где tau0 --- наблюдаемая длительность, taup --- постоянная времени фотодиода, taus --- постоянная времени осциллографа. Согласно паспортным данным С1-70, taus=~ 0.1 ns. Для фотодиода ЛФД-2 разумная нижняя оценка taup>=q 0.15 ns. Тогда для реальной длительности импульса получим tau=<q 0.07 ns. [!b] Верхняя трасса --- ток накачки ИЛ (90 mA/div), нижняя трасса --- отклик фотодиода (60 mV/div). Развертка 0.5 ns/div. [!b] Верхняя трасса --- напряжение на ИЛ (1.2 V/div), нижняя трасса --- ток ИЛ (180 mA/div). Режим модуляции импульсами напряжения представлен на рис. 6, 7. В данном режиме использовался более мощный ДГ с пороговым током 1.6 A и delta I=0.7 A. Необходимый ток накачки подавался на ИЛ через резистивный делитель; в простейшем случае ИЛ шунтировался нагрузочным резистором цепи ДГ RL величиной от 1 до 4.5 Omega. Режим генератора напряжения выполнялся, так как RL<< Rl, а ток через RL стабилизирован диодом Ганна. Было установлено, что при возбуждении релаксаций в выходном излучении лазера наблюдаются также колебания в токе накачки (рис. 6); при этом импульс напряжения на нагрузочном резисторе ДГ (и на цепи Ил-R3) релаксаций не имеет (рис. 7). Поскольку реактивных элементов в схеме деления тока не имеется, то релаксации вызваны внутренними процессами ИЛ [3]. Отметим, что некоторые лазеры не имели релаксационного звона во всех исследовавшихся режимах модуляции. [!tb] Верхняя трасса --- ток модуляции (23 mA/div), нижняя трасса --- отклик фотодиода (60 mV/div). Развертка 0.5 ns/div. Важной практической задачей является получение ступенчатых оптических импульсов, используемых, например, для исследования переходных характеристик фотоприемников. Модуляция ступенькой тока исследовалась в режиме генератора тока в согласованной цепи ДГ--ИЛ. Ступенька тока получалась посредством срыва генерации ДГ после нескольких регулярных циклов в момент прихода домена на анод. Для срыва использовалась цепочка C1R1, включенная последовательно с ДГ; по мере заряда емкости напряжение на ДГ уменьшалось до уровня несколько ниже порогового. Значение максимального тока при этом практически не меняется, поскольку вольт-амперная характеристика ДГ насыщается в области предпороговых напряжений. Модуляция ступенькой перепада тока delta I использовалась для обострения фронта оптического импульса включения ИЛ. Как было установлено, длительность фронта собственного оптического импульса включения определяется в основном параметрами структуры ИЛ; для исследовавшихся лазеров эта величина составляла ~ 0.5 ns. При модуляции ступенькой тока наблюдаемая длительность фронта оптического перепада составляет ~ 0.2 ns (рис. 8). Наблюдаемый оптический сигнал фактически является переходной характеристикой фотоприемной системы, поскольку длительность его фронта практически равна постоянной времени фотоприемной системы (~ 0.18 ns). Оценка истинной длительности фронта перепада дает величину не более 0.07 ns. Результаты настоящей работы подтверждают перспективность применения ганновских управляющих элементов в интегральных оптоэлектронных устройствах. При модуляции ИЛ импульсами ДГ генератора тока реализуется максимальное собственное быстродействие ИЛ; практически важно также то, что жесткая стабилизация уровней переключения тока ДГ предохраняет ИЛ от повреждения электрическими наводками в цепи питания. Исследованные режимы модуляции могут использоваться в скоростных оптических передатчиках для измерения собственного parasitic free быстродействия ИЛ. На основе согласованной пары ИЛ--ДГ возможно построение генераторов тестовых оптических сигналов: ступенчатых импульсов (отрицательный или положительный перепад), одиночных или серий коротких импульсов со временем нарастания/спада десятки пикосекунд. Частота следования импульсов может достигать десятов гигагерц при высокой ее стабильности.
  1. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. М.: Сов. радио, 1975. 288 с
  2. Шур М.С. Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир, 1991. 632 с
  3. Полупроводниковые инжекционные лазеры / Под ред. У. Тсанга. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. 320 с
  4. Thim H.W., Dawson L.R., DiLorenzo J.V. et al. // IEEE Solid State Circuits Conf. Digest of Technical Papers, 1973. P. 92--93
  5. Yanai H., Yano M., Kamija T. // IEEE J. Quant. Electron. 1975. Vol. QE-11. P. 519
  6. Логгинов А.С., Сенаторов К.Я., Соловьев В.Е. и др. // Письма в ЖТФ. 1977. Т. 3. Вып. 24. С. 1326--1330
  7. Yokoyama N., Ohkawa S., Ishikawa H. // Jap. J. Appl. Phys. 1975. Vol. 4. N 7. P. 1071--1072
  8. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Сов. радио, 1976. 480 с

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.