Способ определения быстродействия свч-транзисторов и фотодетекторов

Изобретение относится к СВЧ и оптозлектрОнике и может быть испольэОванО Дляопределения постоянной времени скоростных фотодетекторов и быстродействуощих транзисторов,Известен способ определения быстро.действия СВЧ транзисторов основанный надетектировании лазерных импульсов с помощью СВЧ-транзисторов и определениибыстродействия по временной реализацииимпульсного фототока при использованиискоростного осциллографа.Однако данный способ имеет ряд недостатков, ограничивающих его быстродействие, так как для измерения зависимостифототока от времени необходим скоростнойОсциллОграф с пОлосой пропускания больше. чем обратная величина длительностифотоимпульса. Кроке того, способ обладаетмалой чувствительностью ( 1 мкВт) и сложностьо интерпретации временного отклика,так как трудно разделить вклад От постоянной времени исследуемого транзистора илифотодетектора и "паразитных" неоднородностей волноведущего тракта, а достигнутьсогласования в широкой полосе практически невозможно,Известен также способ определениябыстродействия фотодиодов и фототранзисторов, Основанный на детектировании ами питудно-модулированного лазерногоизлучения и измерении амплитуды фототока От частоты мОдуляции на спектроанапи"заторе ипи скоростнсь Осциллографе.Однако данный способ обладает малымбыстродействием, так как существующиевнешние электро- или акустооптические интегральные модуляторы лазерного излучения имеют верхнюо модупирующуо частотуне более 10 ГГц, Возможно также использование внутренней модуляции зондируощего лазерного излучения, но, как показываютпоследние экспериментальные результаты,наибольшая частота модуляции инжекционных гетеролазеров не более 12 - 16 ГГц,Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения быстродействияфотоприемников, основанный на оптическом смешении пучков двух непрерывныхОдночастотных инжекционных лазеров нафоточувствительной поверхности исследуемых фотоприемников, измерении амплитуды фототока на разностной частоте биенийлазерных мод для данной взаимной настройки частот генерации двух лазеров, измерении их выходной мощности,последовательном измерении указанныхвеличин при различных настройках частот5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 генерации лазеров и Определении по ним искомо 1 О бьстродействия,Однако данный способ имеет низкую точность вследствие сильных флуктуаций разностной частоты биений, а также ее амплитуды иэ-за токовых и тепловых нестабильностей источников накачки, Кроме того, максимальное быстродействие ограничено величиной 20 - 50 Пс и связано с диапазоном одночастотной перестройки лазеров. Для получения сигнала биений на разностной частоте необходимо согласование волновых фронтов двух гетеродинируемых лазерных пучков на фоточувствительной поверхности исследуемого фотодетектора, что накладывает жесткие условия на соосность пучков, которая должна быть порядка 10 рад при одинаковой расходимости,Целью изобретения является расширение диапазона при пыше онос.Цель достигается тем, что по способу определения быстродействия фотодетекторов и СВЧ-транзисторов, включающему освещение фоточувствительной поверхности исследуемых фотодетекторов ипи активной области СВЧ-транзисторов лазерным пучком, измерении амплитуды фототока на разностной частоте биений лазерных мод, измерение этой гастоты биений, последовательном измерении указанных величин при изменении частоты биений и Определении по ним искомого быстродействия, Освещение осуществляют одним многочастотнь 1 м лазером, а изменение;астоты биений производят перестройкой длинь. резонатора и ДЛЯ КажДОй ДЛИНЫ РЕЭОНаТОРа ИЗМЕРЯЮТ ЭЭ висимость интенсивности продольных мод О 1 длины волны.Использование Отличительных признаков известно., т.е. перестройка частоты генерации за счет изменения длины лазерного резонатора, но обычно изменение длины происходит в пределах длины волны (единицы, мкм), при этом частота изменяется на сотни мегагерц, так как изменение длины резонатора применялось в другом сочетании и для других целей,НООЧЕВИДНЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ТОТ фдКТ, ЧТО применение многочастотных лазеров, у которых длина резонатора может изменяться от единиц метров до сотен микрон, позволяет перестраивать частоту сигнала биений от сотен мегагерц до сотен гигагерц и может быть использовано для Определения быстродействия фотодетекторов, а тем более СВЧ-транзисторов, что позволяет сделать вывод, о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия",2002271 15 и фи=т Еэф ти, ть, тоНа фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа, где 1 - непрерывный инжекционный полупроводниковый лазер с одной просветленной рабочей гранью; 2 - микрообъективы, 3 - стабилизированный источник постоянного тока, 4 - внешнее плоское зеркало или дифракционная решетка, 5- светоделителькая пластинка, 6- монохромэтор или эталон Фабри-Перо, 7 - фотодетектор (ФЭУ или фотодиад), 8 - осциллограф или самописец, 9 - исследуемый фотодетектор, 10 - радиочастотный анализатор спектра,В качестве излучателя в данном способе использовался полупроводниковый гетеролазер с одной просветленной рабочей гранью и внешним перестраиваемым резонатором либо набор инжекционных лазеров с различной длиной кристалла.На фиг. 2 показаны два оптических спектра излучения многочастотного лазера, т,е, зависимость интенсивности генерируемых мод от длины волны для разных длин резонаторов, (а -=500 мкм, б -= 300 мкм).На фиг. 3 показан радиочастотный спектр излучения многочастотного лазера после его детектирования на быстродействующем фотодетекторе.Последовательность операций, необходимых для реализации данного способа в соответствии со схемой, показанной на фиг.1, выглядит следующим образом.Излучение многочастотного инжекционного полупроводникового лазера 1 с просветленной рабочей гранью, внешким перестраиваемым резонатором, содержащим микрообъектив 2, в фокусе которого находится активная область лазера, и юстируемое полупрозрачное зеркало или дифракционную решетку, светоделительной пластинкой 5 делится на двз пучка, один из которых используется для измерения оптического спектра излучения с помощью дифракционного монохроматора или эталона Фабри-Перо б, низкочастотного фотодетектора 7(фотодиода или ФЭУ) идвухкоордикаткого самописца или осциллографа 8. Экспериментально наблюдаемый оптический спектр показан на фиг. 2 для разных длин резонатора, Разность частот соседних продольных мод определяется из выражения ае с - скорость света в вакууме;Ь - длина внешнего резонатора (растояние от зеркала до просветленной грани зэерного кристалла);.р -длина собственного резонатора лазерного кристалла;и - показатель преломления активнойобласти лазерного кристалла нз длине вол ны генерации.На фиг. 4 показана зависимость межмодовой частоты от длины резонатора.Из измеренного оптического спектранеобходимо определить интенсивности мод 10 в относительных единицах и межмодовыерасстояния, при этом разностная межмодовая частота определяется из соотношения. где М - межмодовое расстояние, измеренное по шкале длин волн;А - длина волны излучения лазера.Другой пучок направляется на фоточувствительную поверхность исследуемых фотодетекторов 9 или в активную область СВЧ полевых транзисторов,Фототок, пропорциональный квадратунапряженности электрического поля лазерного излучения, содержит как постоянную составляющую, так и высокочастотные компоненты продетектированкого многочастотного лазерного излучения, частотный30 отклик которых наблюдается на радиочастотном анализаторе спектра. Необходимо измерить амплитуду фототока на основной частоте биений лазерных продольных мод и значение этой частоты.Изменяя длину резонатора лазера, проводят измерения на другой частоте, В результате выполнения этой последовательности операций определяют постоянную времени фотоприемника г по40 формуле, вывод которой приведен ниже.Предположим, что на фоточувствительную поверхность фотодетектора, имеющего постоянную времени г, падает излучение многочастотного лазера с энергией фотонов большей, чем ширина запрещенной зоны детектора, тогда переменная составляющая фототока детектора А нз межмодовой частоте И = - определяется следующим вырас21.50 жекием: где К - коэффициент пропорционзльучитывающий квантовую эффективдолю светового потока, поглощенногодетектором;2002271 йКА 2 1 - Вв ний лазе этой част действия личающи осуществ эером, пр стоты би длины ре зонатораности ПРО ретения НИЯ БЫСТРОСТОРОВ И ФО- ющий освещение рхности исследуактивной облазерным пучком, ение амплитуды частоте биений ой частоты биеЬ - интенсивность и-й продольной мо(1ды лазерного излучения, измеренная из оптического спектра (см. фиг. 3);1 ч - число генерируемых продольных мод, Для определения постоянной времени фотодетектора необходимо, по крайней мере, произвести измерение фототока для другой длины резонатора .2 с соответствуОщей межмодовой частотой 6 =,в212этом случае(2) УТ 3 +12 т 7) Тогда иэ соотношений (1) и (2) получают рабочую формулу для определения быстродействия: Таким образом, как видно из соотношения (3), для определения быстродействия фотодетектора достаточны измерения для двух настроек резонатора, Однако если заранее не известна примерная величина постоянной времени т, то необходимо производить последовательные измерения. При этом для частот биений 1, сравнимых с 1/ т, наблюдается небольшая чувствительность. Как нетрудно видеть из соотношений(1) и (2) частота, соответствуюФормула изобСПОСОБ ОПРЕДЕЛЕ ДЕЙСТВИЯ СВЧ-ТРДНЗИ ТОДЕТЕКТОРОВ, включа фоточувствительной пове емых фотодетекторов или сти СВЧ-транзисторов ла последовательное измер фототока на разностной лазерных мод и разности щая уменьшению амплитуды поодетектированного сигнала биений в 1/2 /В раз, посравнению с амплитудой на "нулевых частотах" (1 г 1) определяет постоянную5 времени фотодетектора г, т.е, его быстродействие.Данный способ позволяет измерить быстродействие фотоприемников и СВЧтранзисторов с субпикосекундным10 разрешением, так как длину резонатораинжекционного лазера в настоящее времяможно сделать порядка 50 мкм. что соответствует основной межмодовой частоте1ТГц (10 Гц), т.е. достигнуть временного1215 разрешения =1 Пс,Данный способ был экспериментальноапробирован при диагностике быстродействующих лавинопролетных фотодиодов типаЛФДи полевых СВЧ-транзисторов с барь 20 ером Шоттки. С помощью перестраиваемого резонатора был получен сигнал от 0,3 до15 ГГц, а при использовании дискретныхрезонаторов был получен набор частот 37,48, 68, 111, 133 ГГц и их гармоник более 10.25 Таким образом, метод позволит исследовать динамические характеристики фотодетекто 2 оов или СВЧ-транзисторов до частот10 - 10 Гц, т,е, даже в той области, где взнастоящее время отсутствуют фотодетекто 30 ры с таким быстродействием.Как показали эксперименты, нестабильность частоты межмодовых биений не превышала 1 МГц, в то время как в прототипеона достигала сотни МГц, даже при исполь 35 эовании стабилизированных источников питания с обратной связью.(56) 3. КачапзЫ, М, 5 агцаатог. Юбе Ьапс1 гециепсу гезропзе гпеазогещепт о 1р 1 отобетестогз азпо ортса 1 есегосупе40 бетесдеОп тесМсце. Е 1 ес 1 гоп еп, 1986, и,22,р, 337-338,рных мод в процессе изменения оты, а также определение быстро- по измеренным параметрам, отйся тем, что освещение ляют одним многочастотным лаи этом измерение разностной чаений производят перестройкой зонатора и для каждой длины реизмеряют зависимость интенсивдольных мод от длины волны, 2002271,см Редактор Т, Юрчикова Корректор Н, Коро Заказ 3172 Тираж Под НПО " Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4 писн Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гага оставитель Г, Акчур хред М.Моргентал б Я /Ус