|
| |
|
Слаботочка Книги излучения Лф = Л,с±А/., спектральной полосы Xi<;X,,<A2 или полуспектра Хф> >Хо {7.<7:о). Ф/Льтр как избирательная система тем сове;;шеннее, чем меньше потери в полосе пропускания и чем значительнее подавление сигнала вне этой полосы. Устройство оптических фильтров основывается на абсорбционном принципе, избирательном отражении лучей тонкой прозрачной пластинкой или стопой пластин, на интерференции световых потоков при взаимодействии с дифракционной решеткой. Расщепитель (светоделитель, диплексер) служит для разделения светового потока на два с различными направлениями распространения, реализуется главным образом в виде диэлектрического зеркала, которое часть потока отражает, а часть пропускает. Эффективность такого светоделителя характеризуют величиной 4RT; если потери незначительны и интенсивности обоих потоков одинаковы, то ART-l. Оптический резонатор подобен резонатору СВЧ-колебаннй: он служит для выделения мод оптического излучения. Чем острее (избирательнее) его частотная характеристика и меньше потери в резонаторе, тем в большей степени отвечает он своему назначению. Наибольшее распространение получили оптические системы из двух параллельных плоских зеркал (резонатор Фабри - Перо) и дифракционные решетки. Специфическим элементом оптической системы, не имеющим радиотехнического аналога, является поляризатор, служащий для поляризации светового потока по заданному закону, чаще всего для получения линейно поляризованного излучения. Основным параметром этого устройства является обеспечиваемая им степень поляризации Л, определяемая по (1.17) Наиболее широко распространены поляризаторы, в которых «работает» эффект двулучепреломлення (см. гл. 3); иногда используется отражение под углом Брюстера от набора плоскопараллельных пластин. Вспомогательными элементами оптической системы являются компенсаторы, выравнивающие фазы двух волн, прошедших разные оптические пути и претерпевших разное число отражений. Простейший и наиболее широко применяемый компенсатор - четвертьволновая пластинка, при прохождении через которую волна отстает по фазе на п/2. Рассмотренные в этом параграфе оптические элементы и приборы на их основе имеют ряд существенных недостатков, которые выделяют эти изделия среди многих других изделий оптоэлектроники в группу принципиально несовершенных, «архаичных» элементов. Основные из этих недостатков могут быть сгруппированы следующим образом: сложность изготовления многих элементов из-за необходимости реализации требуемых криволинейных поверхностей, точных угловых соотношений, обеспечения оптической однородности материалов, высокого класса обработки всех поверхностей и т. п.; принципиальная неустранимость аберраций в рамках классической геометрической оптики; объемность конструкций оптических элементов, исключающая возможность микроминиатюризации; механическое объединение отдельных элементов в приборы, не позволяющее преодолеть такие мешающие факторы, как изменение температуры, вибрация и удары, старение. Все это находится в диссонансе с такими определяющими концепциями современной микроэлектроники, как групповая обработка деталей, высокая степень интеграции, плоскостность конструкций, направленная координатная неоднородность материалов (исключение составляют дифракционные решетки, селфоки и, конечно же, элементы интегральной оптики). Для современного этапа развития оптоэлектроники именно проблема создания совокупности оптических элементов, удовлетворяющих названным требованиям, является важнейшей; ее разрешение станет не менее значимым (хотя внешне и не столь ярким) этапом, чем в свое время создание совершенных излучателей и фотоприемников. Глава 2 КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ И ПРИЕМЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В дайной главе рассматриваются физические основы генерации и приема оптического излучения в полупроводниках, на основе которых изготавливаются излучатели и фотоприемники, используемые в оптоэлектронике. 2.1. ЗОННАЯ СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКА Основополагающим моментом, определяющим квантовую природу вещества, является известное положение о дискретности разрешенных энергетических уровней электронов в атоме. При объединении атомов в единую систему их взаимодействие друг с другом приводит к расщеплению каждого из этих уровней. Если плотность атомов в системе велика, то образуются практически сплошные полосы разрешенных энергетических состояний (рис. 2.1). 3 Рис. 2.1. Энергетические диаграммы одиночного атома (а), системы слабо взаимодействующих одинаковых атомов (б), твердого тела [в): 1-1!" -от уровня свободного электрона к зоне проводимости; 2-f-2-f-2" - от уровня связанного электрона к валентной зоне в процессах взаимодействия излучения с веществом играет роль прежде всего энергетическая структура внешних электронных оболочек, а именно верхнего валентного уровня и уровня ионизованного атома (свободного электрона). Расщепление этих уровней образует в твердом теле две полосы разрешенных состояний: валентную зону и зону проводимости; зазор между ними называют запрещенной зоной. Электрон, обладающий энергией, соответствующей одному из уровней валентной зоны, связан с атомами кристаллической решетки и пространственно локализован; если же электрон занимает уровень в зоне проводимости, то он не связан с решеткой и может свободно перемещаться по кристаллу; энергией, соответствующей запрещенной зоне, электрон обладать не может, если в этой зоне не имеется дополнительных разрешенных уровней. Изменение энергии электрона представляет собой квантовый переход; наиболее существенными являются переходы из одной зоны в другую - именно они сопровождаются качественными изменениями состояния кристалла. Переход электрона из зоны в зону может происходить практически без изменения пространственного положения. Структура полос разрешенных и запрещенных энергетических состояний или зонная диаграмма твердого тела практически однозначно определяет все его свойства, поэтому при исследовании вновь синтезированного вещества прежде всего определяется, насколько это возможно, его зонная структура. Если зона проводимости и валентная зона смыкаются или перекрываются (ширина запрещенной зоны EgQ), то мы имеем дело с металлом, если Eg>A..b эВ - с диэлектриком; промежуточный случай описывает полупроводники: крайние значения Eg для полупроводников, используемых в оптоэлектронике, составляют 0,16 эВ для InSb и 3,7 эВ для ZnS, наиболее же типичны 1,45 эВ для GaAs и 1,12 эВ для Si. Заметим, что ширина запрещенной зоны несколько уменьшается при повышении температуры; приведенные здесь значения соответствуют Т=300 К. На рис. 2.1 лишь схематически иллюстрируется трансформация дискретных уровней одиночного атома в разрешенные энергетические зоны твердого тела; полная же зонная структура определяется зависимостью энергии электрона Ее от его импульса р (или, что то же, от волнового вектора), т. е. законом дисперсии. Представленные на рис. 2.2 энергетические диаграммы важнейших материалов оптоэлектроники построены в конечном интервале значений волнового вектора; этот интервал определяется первой зоной Бриллюэна, которая тождественна второй и всем последующим из-за периодичности распределения потенциала в кристалле. Как известно, зоны Бриллюэна охватывают области в пространстве импульсов, в пределах которых энергия электрона изменяется непрерывно, а на границах претерпевает разрыв. Физически наличие границ зон Бриллюэна обусловлено тем, что вблизи мест расположения атомов потенциальная энергия электронов изменяется почти скачкообразно. Символы L, Г и X на оси импульсов обоз- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [17] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |