200 мкм; напряжение пробоя и„ = 50...200 В; М = 100; т] =0,3; чувствительность е, = 0,15 А/Вт; т = 0,1 не; дисперсия шумов Ош ~ ~ /И; темновой ток t., ~ 0,5 мкА при нагрузке 50 Ом и = 0,63 мкм. Среднее время наработки на отказ при температуре 20 °Сдостигает 10* ч. В лавинных фотодиодах М = 1/[1 - (ujun)% где k - коэффициент умножения свободных носителей, определяемый экспериментально.

Благодаря конструктивной приемлемости для монолитных интегрально-оптических схем перспективными фотодиодами являются фотодиоды с барьером Шоттки [27]. Принцип работы приемников с барьером Шоттки аналогичен рассмотренному, только р-п переходы заменены переходом металл - полупроводник, в результате чего повышается чувствительность прибора, так как время жизни носителей уменьшается из-за рассеяния их на дефектах и примесях поверхностной области полупроводника. Типичные характеристики этих фотодиодов следующие: подложка из GaAs; Яо = 0,8...0,9 мкм; 4в = 125 мкм; ы„ = 40...50 В; М = 100...250; х\, = 0,3...0,5: е,. = 0,25...0,4 А/Вт; т = 0,2 НС для Яо = 1,06 мкм; ~ /И; ширина полосы А/ = 2 ГГц.

Имеется несколько принципиальных и технологических способов улучшения характеристик фотодиодов до 30 %. Перечислим основные из них: просветление поверхности полупроводника нанесением тонкой (Я/4) пленки и введение 20% примеси InSb увеличивает чувствительность фотодиода до 30 %; уменьшение ширины запрещенной зоны, а также длины поглощения повышает чувствительность и быстродействие фотодиодов. Все это практически достигается созданием фотодиода с электропоглощением, когда запрещенная зона АЯ полупроводника значительно сдвигается в область больших длин волн.

Ионная имплантация - второй способ уменьшения запрещенной зоны и соответственно улучшения характеристик фотодиода. Преимуществом фотодиодов, полученных ионной имплантацией, является сравнительная легкость технологического процесса. Этот способ весьма прогрессивен, так как он почти не создает принципиальных трудностей при проектировании монолитных интегрально-оптических схем. Однако такое объединение на одной подложке нескольких элементов практически не всегда возможно, поскольку требования к подложкам фотодиодов и других интегрально-оптических элементов, как правило, различны.

17.8. Перспективы развития интегральной оптики и когерентных оптических вычислительных устройств

В недалеком прошлом в интегральной оптике период бурного развития плодотворных идей и замечательных экспериментальных результатов сменился периодом некоторого затишья. Подобная ситуация наблюдалась и в развитии лазерной техники 1963-1970 гг., когда наступило заметное охлаждение к проблеме, которое испытали инженеры-разработчики лазерных систем. Конструктивные и технологические трудности стали осязаемо ощутимыми и неудержимый энтузиазм разработчиков несколько истощился [27].

ВЧ-сигнал

L- /2

/У

2 АгА J I,--

l:;--.v.W

Рис. 17.14. Интегрально-оптические ВЧ-спектроанализатор (й) и датчик давления (6): 1 - лазерный днод: 2 - подложка; 3 - нвпрввленный ответвнтель; 4 - кольцевой канальный волновод; 5 - пьезокерамнкв; 6 - элек-трнческнй контакт; 7 - фотодиоды; 8 - коллнмирующая лннзв; 9 - фокусирующая лннза; 10 - усилитель с полосовым фильтром; 11 - смеситель: 12 - гетеродин; 13 - антенна

Тем не менее в 1975-1980 гг. появились принципиально важные исследования и разработки, которые вновь возбудили широкий интерес инженеров к проблемам интегральной и когерентной оптики, К этим разработкам можно отнести следующие:

создание управляемых интегрально-оптических элементов;

создание планарных и канальных оптических волноводов с потерями, меньшими 1 дБ/см;

изготовление планарных гетероструктурных полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью.

Сейчас многие исследователи считают, что кристаллы GaAs являются основным материалом для собственно интегральной оптики, т. е. интеграции функциональной совокупности элементов: когерент-

3438

ного излучателя, канала связи, управляемых устройств и приемников излучения на общей подложке из кристалла GaAs (рис. 17.14).

По-видимому, широкое применение интегральная оптика найдет после того, как разработчики воспользуются успехами, достигнутыми в технологии электронно-ионно-лучевой микрообработки деталей, где управляемый ЭВМ луч перемещается по заданной программе и создает рисунок на специальном электронном резисторе. Затем этот рисунок обрабатывается химическим методом либо ионной имплантацией.

При изготовлении волноводных структур к электронно-ионно-лучевой микрообработке предъявляются уникальные требования: например, направленный ответвитель шириной 1...2 мкм должен изготавливаться со средней квадратической шероховатостью края волновода до нескольких тысячных микрометра с контролем распределения показателя преломления по сечению волновода с погрешностью А/г ~

0,003.

Ионно-лучевое распыление позволяет напылять различные пленки в просветах, проделанных в масках после экспонирования электронным пучком на резист и проявления.

Итак, методы электронно-ионной микрообработки и эпитаксия из жидкой фазы являются перспективными технологиями для изготовления монолитного блока с интеграцией различных элементов управления и разработки самих элементов с размерами (0,2... 1) ± 2 • 10~ мкм. Необходимы только весьма прецизионные методы контроля поверхностей раздела выращенных пленок.

Темп исследований и количество публикаций в последние годы неизменно возрастают, хотя следует заметить, что до сих пор пока еще относительно мало практических применений интегрально-оптических систем. Это зависит от множества проблем прецизионного технологического характера. Приведем пример, который надо рассматривать не как окончательное техническое решение, а как иллюстрацию практических возможностей интегральной и когерентной оптики. Речь идет о когерентном интегрально-оптическом вычислителе, каким является ВЧ-спектроанализатор [27].

На подложке кристалла LiNbOg х-среза размерами 3 X 25 х X 70 мм* диффузией TiOg созданы планарный волновод и две линзы геодезического типа с апертурой Dbx = 8 мм и фокусным расстоянием 24,5 мм и 27,2 мм соответственно. Лазерный пучок диаметром 0,06 мм от гетероструктурного лазера / (GaAlAs) вводится в планарный волновод (см. рис. 17.14, а), коллимируется линзой 8 и модулируется акустической волной встречно-штыревого преобразователя ВШП, на который поступает ВЧ-сигнал радиолокатора бокового обзора. Угол отклонения лазерного пучка на линзе 9 зависит от периода акустической волны, несущей полезную информацию. Линза 9 фокусирует пучок на матрицу фотодиодов 7 на кремниевой подложке. Каждый фотодиод представляет собой конкретный частотный канал.

Если электромагнитное поле ВЧ-радиосигнала имеет спектр частот, то пучок света акустической волной и в дальнейшем линзой фокусируется на определенном фотодиоде, положение которого в пространстве зависит от частоты радиосигнала. Так производится спектральный анализ сложного радиосигнала.

Достоинством интегрально-оптического спектроанализатор а по сравнению со специальным электронным процессором являются простота конструкции и улучшенные массогабаритные характеристики. Типовые микропроцессорные ЭВМ при решении данной задачи потребовали бы разработки специальной программы и множества микросхем. Рассмотренный ВЧ-спектроанализатор разработан для пилотов, которым необходима текущая информация о наземной обстановке для идентификации ее с эталонными частотами, хранящимися в бортовой ЭВМ самолета *.

Этот спектроанализатор изготовлен на основе гибридных технологий на подложках из различных материалов. Чтобы создать его, необходимо тщательно собрать и состыковать подложки, с микрометровой точностью съюстировать и закрепить их в едином функциональном устройстве. Это чрезвычайно сложная проблема современной интегральной оптики.

* См.: Merger! an D., Malar key E, Microwave J.- 1980,-.4» 23.- P. 37.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Квантовая электроника как особая область физики, исследующая взаимодействие электромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов и молекул различных веществ, сложилась к началу 60-х годов нашего столетия. Успех ее можно объяснить плодотворным объединением усилий советских и иностранных ученых, занимающихся проблемами радиофизики, оптики, атомной физики и радиоспектроскопии.

В настоящее время происходят большие технические преобразования и значительное место в этом процессе занимают квантовая электроника и лазерная техника. Эти преобразования совершаются отчасти с помощью абстрактных теоретических исследований, на первый взгляд, казалось бы, ничего общего не имеющих с практикой. Хотя лазеры разработаны сравнительно недавно, началом этих исследований необходимо считать теоретические работы А. Эйнштейна, выполненные им задолго до изобретения лазеров. Этот пример показывает, что отвлеченные теоретические исследования приводят к важнейшим практическим результатам, что выгодно развивать и поддерживать фундаментальные исследования.

Научные методы квантовой электроники и практические результаты лазерной техники все шире используют почти во всех сферах народного хозяйства. Основные тенденции и перспективы исследований в области лазерной техники следующие: создание новых методов когерентной обработки оптических сигналов; освоение ультрафиолетового диапазона волн и создание лазеров в этой области спектра для исследования процессов фотохимии, разделения изотопов и получения сверхчистых веществ; исследования в нелинейной магнитооптике; изучение свойств ослабления сверхмощных наносекундных импульсов вынужденного излучения в атмосфере; микроминиатюризация кольцевых лазеров; разработка моделей квантовых приборов и устройств и проектирование их с использованием средств вычислительной техники; разработка элементной базы и устройств оптических вычислительных и интегрально-оптических систем; создание неохлаждаемых лазеров импульсного действия с частотой следования импульсов лазерного излучения около 100 Гц; повышение к. п. д. твердотельных лазеров импульсного режима работы; создание параметрических генераторов с использованием эффекта вынужденного рассеяния на поляри-тонах.

В последнее время научный и технический поиск побудил исследо-

вателей к созданию принципиально новых миниатюрных интегрально-оптических приборов, реализация которых осуществляется в тонкопленочных волноводных структурах. Огромное количество проблем привело также к разработке множества новых прецизионных технологических процессов. Совершенство технологических процессов является необходимым условием научдо-технического прогресса. Нужно знать не только что изготовить, важнее - понимать, с помощью какого оборудования и как изготовить проектируемое изделие. Все это характеризует стремительно развивающуюся область человеческих знаний - когерентные вычислители и интегрально-оптические системы.

Изучаются применения интегрально-оптических схем в телеметрии, междугородной связи, системах многоканальной внутренней связи и операционного контроля на борту земных и космических кораблей.

Наиболее перспективными являются приложения волоконной и интегральной оптики в системах обработки и спектрального анализа оптических и радиосигналов, а также в оптических линиях связи 19, 27].