Модулятор электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона для систем высокоскоростной беспроводной связи

Изобретение относится к оптоэлектронике, а именно к модуляторам электромагнитного излучения, в частности, работающим в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах частот (100-10000 ГГц). Сущностью изобретения является устройство для амплитудной модуляции с частотами до 1 ТГц, работа которого основана на изменении коэффициента пропускания модулируемого сигнала через схему на основе копланарного волновода, сформированную на подложке из полупроводникового материала, и содержащую полосно пропускающий фильтр на основе полуволнового копланарного резонатора. Устройство для осуществления модуляции содержит также, помимо линии передачи модулируемого сигнала, средство внешнего воздействия на полупроводниковый материал - управляющий источник оптического излучения видимого или ИК-диапазона вместе с оптоволоконной линией для доставки излучения к линии передачи. Коэффициент пропускания схемы изменяется вследствие изменения концентрации неравновесных носителей тока в полупроводниковом материале под действием импульсов управляющего источника оптического излучения. Полупроводниковый материал характеризуется ультракоротким временем жизни (от нескольких десятков пикосекунд до долей пикосекунды) фотовозбужденных носителей заряда, что может обеспечивать частоты модуляции до сотен ГГц. Изобретение может использоваться в разнообразных областях науки и техники, использующих субтерагерцовый и терагерцовый диапазоны частот электромагнитного излучения, в частности, при создании систем высокоскоростной беспроводной связи.

Известен способ модуляции электромагнитного излучения, основанный на поглощении электромагнитного излучения свободными носителями заряда в твердом теле, концентрацией которых управляют, например, при помощи инжекции носителей заряда через p-n-переход или световым импульсным возбуждением [«Способ модуляции электромагнитного излучения», Авторское свидетельство №329499, опубл. 09.02.1972]. Также известен способ модуляции электромагнитного излучения, основанный на изменении подвижности носителей заряда вследствие изменения их температуры, и модулятор на его основе, содержащий пластину из полупроводникового материала: арсенида галлия или антимонида индия [«Способ модуляции электромагнитного излучения и модулятор электромагнитного излучения», Патент №2050034, опубл. 10.12.1995].

Недостатком известных способов и модуляторов является ограничение частоты модуляции инерционностью процесса возбуждения носителей тока за счет инжекции через p-n-переход либо процесса изменения подвижности вследствие изменения температуры, ввиду того, что данные процессы протекают с характерными временами не менее 1 нс. Это приводит к тому, что частота модуляции не может превышать величину порядка 10 ГГц.

В случае оптического возбуждения носителей заряда в полупроводнике, инерционность процесса их возбуждения и релаксации может характеризоваться временами от нескольких десятков пикосекунд до долей пикосекунды в таких материалах, как арсенид галлия и арсенид галлия-индия, выращенных при низких температурах (LT-GaAs и LT-InGaAs соответственно, где LT означает рост материала при низкой температуре). Однако для создания существенных концентраций неравновесных носителей заряда (более 10¹⁶ см^-3) в полупроводниках с временем жизни носителей порядка 1 пс требуется воздействие оптической плотности мощности порядка 1 мВт/мкм². Известные способы модуляции и устройства на их основе предполагают использование в качестве модулирующего элемента пластины из полупроводникового материала, через которую пропускается модулируемое электромагнитное излучение. В такой схеме, характерные минимальные размеры пластины должны соответствовать длине волны электромагнитного излучения. Таким образом, для длины волны 3 мм, соответствующей частоте 100 ГГц, требуемая для работы модулятора оптическая мощность составляет не менее нескольких Ватт, что накладывает существенные ограничения на возможность реализации устройства.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении частоты модуляции субтерагерцового и терагерцового излучения, а также уменьшении требуемой рабочей мощности управляющего источника оптического излучения видимого или ИК-диапазона.

В предлагаемом устройстве для модуляции электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона, помимо полупроводникового материала с ультракоротким временем жизни фотоиндуцированных носителей заряда, используется также полосно-пропускающий фильтр на основе полуволнового копланарного резонатора, образованного при помощи двух щелевых разрывов в центральном проводнике копланарной линии. При этом щелевые разрывы не только обеспечивают емкостную связь резонатора с подводящими линиями передач, но и служат областью концентрации энергии модулируемой волны. Это позволяет значительно уменьшить необходимую для оптической засветки площадь, и тем самым снизить требуемый уровень рабочей мощности для источника оптического излучения.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На Фиг. 1 показаны вид сверху и разрез структуры в центральной части устройства для оптической модуляции. Цифрами обозначены: 1 - боковые электроды симметричной копланарной линии передач с волновым сопротивлением Z₀=50 Ом, 2 - центральный электрод полуволнового резонатора, играющего роль полосно-пропускающего фильтра, 3 - область слоя LT-InGaAs или LT-GaAs с фотоиндуцированной проводимостью, 4 - слой LT-InGaAs или LT-GaAs с характерной толщиной 0.1-0.5 мкм, выращенный на пластине 5 из арсенида галлия. Материал LT-InGaAs или LT-GaAs характеризуется ультракороткими временами жизни фотоиндуцированных носителей заряда, составляющими величины от нескольких десятков пикосекунд до долей пикосекунды. Резонатор образуется созданием двух разрывов (щелей) в центральной полосковой линии, шириной 8 мкм. При этом ширина центральной полоски между разрывами уменьшена с 24 мкм до 10 мкм. Это увеличивает сопротивление линии Z₀ до 100 Ом и, следовательно, добротность резонатора. На Фиг. 2 показана эквивалентная электродинамическая схема линии передач и резонатора. Резонатор связан с подводящей линией емкостью щелевого разрыва величиной C_gap.

Устройство работает следующим образом. Модулируемое субтерагерцовое излучение частотой около 108 ГГц заводится с помощью известных схемотехнических решений на вход линии передач. Модуляция степени пропускания линии передач достигается за счет фотовозбуждения носителей заряда в области одного из разрывов в результате облучения импульсами управляющего источника оптического излучения, передаваемыми в область разрыва с помощью оптоволокна. Из-за появления неравновесных фотоиндуцированных носителей поверхностное сопротивление слоя материала LT-InGaAs или LT-GaAs в освещаемом пятне уменьшается, что эквивалентно шунтированию емкости щелевого разрыва C_gap некоторым сопротивлением величиной R через емкости величиной C_sh между металлом, из которого образована линия передач и резонатор, и полупроводником с индуцированной фотопроводимостью. Промодулированное субтерагерцовое излучение выводится из устройства через выход линии передач.

На Фиг. 3 приведены результаты численного моделирования пропускания предложенной копланарной линии передач в частотном диапазоне 104-111 ГГц методом конечных разностей во временной области. Для определенности, расчет производился для пятна засветки диаметром 30 мкм. Представлены кривые параметра передачи линии S₂₁ для двух значений величины фотосопротивления на квадрат R_кв, а именно 10 МОм (типичная «темновая» проводимость) и 1 МОм. Длина полуволнового резонатора (расстояние между щелевыми разрывами) составляет 500 мкм. Ширина боковых электродов копланарной линии равна 280 мкм, расстояние между центральным и боковым электродом составляет 6 мкм. Для времени жизни фотовозбужденных носителей порядка 10 пс, величина фотосопротивления 1 МОм для слоя LT-InGaAs характерной толщиной 0.5 мкм достигается при оптической плотности мощности порядка 1 мкВт/мкм², что для пятна диаметром 30 мкм соответствует полной мощности излучения порядка 1 мВт. Данная оптическая мощность является рутинно-достигаемой в уже существующих лазерных системах для оптоволоконной коммуникации. На Фиг. 3 видно, что на частоте около 108 ГГц, глубина модуляции пропускания линии передачи при изменении фотосопротивления материала полупроводника от 10 МОм до 1 МОм достигает 18 дБ. Такая степень модуляции является достаточной для использования в практических применениях, в частности, для построения узла передачи телекоммуникационного устройства для несущей частоты 108 ГГц.