Способ определения быстродействия свч-транзисторов и фотодетекторов

 

Сущность изобретения способ заключается в освещении фоточувствительной поверхности фотодетекторов или активной области СВЧ-транзисторов лазерным пучком, измерении амплитуды фототока на разностной частоте биений лазерных мод измерении этой частоты биениЯ последовательном измерении указанных величин при изменении частоты биений и определения быстродействия по измеряемым параметрам С целью расширения диапазона и повышения точности освещения осуществляют одним многочастотным лазером, а изменение частоты биений производят перестройкой длины резонатора и для каждой длины резонатора измеряют зависимость интенсивности продольных мод от длины волны 4 ил

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4935992/21 (22) 12.05.91

{46) 30.1093 Бюл. М 39-40 (71) Центральный научно-исследовательский институт измерительной аппаратуры (72) Акчурин Г.Г; Огнищев АЮ. (73) Центральный научно-исследовательский институт измерительной аппаратуры (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЫСТРОДЕЙ—

СТВИЯ СВЧ-ТРАНЗИСТОРОВ И ФОТОДЕТЕКТОРОВ (57) Сущность изобретения: способ заключается в освещении фоточувствительной поверхности фо(В) RRU U(11) 2002271 С1 (51) 5 G01R31 26 тодетекторов или активной области СВЧ-транзисторов лазерным пучком, измерении амплитуды фототока на разностной частоте биений лазерных мод, измерении этой частоты биений, последовательном измерении указанных величин при изменении частоты биений и определения быстродействия по измеряемым параметрам. С целью расширения диапазона и повышения точности освещения осуществляют одним многочастотным лазером, а изменение частоты биений производят перестройкой длины резонатора и для каждой длины резонатора измеряют зависимость интенсивности продольных мод от длины волны. 4 ил

2002271

>и >п 1 =т

А1 =

На 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- светоделительная 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 s данном способе использовался полупроводниковый гетеролазер с одной просветленной рабочей гранью и внешним перестраивземым 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 — L = 500 м км. б — L = 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, внешним перестраиваемым резонатором, содержащим микрообъектив 2, в фокусе которого находится активная область лазера, и юстируемое полупрозрачное зеркало или дифракционную решетку, светоделительной пластинкой 5 делится на два пучка, один из которых используется для измерения оптического спектра излучения с помощью дифракционного монохроматора или эталона

Фабри-Перо 6, низкочастотного фотодетектора 7 (фотодиода или ФЭУ) и двухкоординатного самописца или осциллографа 8.

Экспериментально наблюдаемый оптический спектр показав на фиг. 2 для разных длин резонатора, Разность частот соседних продольных.мод определяется из выражения где с — скорость света в вакууме;

1.Π— длина внешнего резонатора (расстояние от зеркала до просветленной грани лазерного кристалла);

Lð -длина собственного резонатора ла зерного кристалла; и — показатель преломления активной области лазерного кристалла на длине вол5 ны генерации.

На фиг. 4 показана зависимость межмодовой частоты от длины резонатора.

Из измеренного оптического спектра необходимо определить интенсивности мод

10 в относительных единицах и межмодовые расстояния, при этом разностная межмодовая частота определяется из соотношения. где Ail — 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 квадрату напряженности электрического поля лазерного излучения, содержит как постоянную составляющую, так и высокочастотные компоненты продетектированного многочастотного лазерного излучения, частотный

30 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 t no

40 формуле, вывод которой приведен ниже.

Предположим, что на фоточувствительную поверхность фотодетектора, имеющего постоянную времени r, падает излучение многочастотного лазера с энергией фотонов большей, чем ширина запрещенной зоны детектора, тогда переменная составляющая фототока детектора А> нз межмодовой частоте f > = — определяется следующим вырас

2L

0 же ем:

Где к коэффициент пропорциОнальности, учитывающий квантовую эффективность, долю светового потока, поглощенного фотодетектором;

2002271

К. дг (3) Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЫСТРО-

ДЕЙСТВИЯ Се -ТР@Н ИСТОРОВ И ООТОДЕТЕКТОРОВ, включающий освещение фоточувствительной поверхности исследуемых фотодетекторов или активной области СВЧ-транзисторов лазерным пучком, последовательное измерение амплитуды фототока на разностной частоте биений лазерных мод и разностной частоты биеln — интенсивность п-й продольной мо(1) ды лазерного излучения, измеренная из оптического спектра (см. фиг. 3);

N — число генерируемых продольных мод.

Для определения постоянной времени фотодетектора необходимо, по крайней мере, произвести измерение фототока для другой длины резонатора Lz с соответствующей межмодовой частотой f2 = —c,,в

21г этом случае (2)

«"Р+ ((2т7Г

Тогда из соотношений (1) и (2) получают рабочую формулу для определения быстродействия:

А1 Х (iP Ж )

А2 Х (Р i5()2

Таким образом, как видно из соотношения P), для определения быстродействия фотодетектора достаточны измерения для двух настроек резонатора, Однако если заранее не известна примерная величина постоянной времени r, то необходимо производить последовательные измерения. При этом для частот биений f. сравнимых с 1/ r, наблюдается небольшая чувствительность. Как нетрудно видеть из соотношений (1) и (2) частота, соответствую5

40 щая уменьшению амплитуды f lo4eTeKTMpoванного сигнала биений в 42 /В раз, по сравнению с амплитудой на "нулевых частотах" (f т«1) определяет постоянную времени фотодетектора г, т.е, его быстродействие.

Данный способ позволяет измерить быстродействие фотоприемников и СВЧтранзисторов с субпикосекундным разрешением, так как длину резонатора инжекционного лазера в настоящее время можно сделать порядка 50 мкм. что соответствует основной межмодовой частоте > 1

ТГц (10 Гц), т.е. достигнуть временного

1г разрешения =1 Пс.

Данный способ был экспериментально апробирован при диагностике быстродействующих лавинопролетных фотодиодов типа

ЛФД-2 и полевых СВЧ-транзисторов с барьером Шоттки. С помощью перестраиваемого резонатора был получен сигнал от 0,3 до

15 ГГц, а при использовании дискретных резонаторов был получен набор частот 37, 48, 68, 111, 133 ГГц и их гармоник более 10.

Таким образом, метод позволит исследовать динамические характеристики фотодетектооов или СВЧ-транзисторов до частот i0 — 10 Гц, т.е. даже в той области, где в

О I настоящее время отсутствуют фотодетекторы с таким быстродействием.

Как показали эксперименты, нестабильность частоты межмодовых биений не превышала 1 МГц, в то время как в прототипе она достигала сотни МГц, даже при использовании стабилизированных источников питания с обратной связью. (56) S. Kawanishl, М. Saruwatorl. Wide band

frequency response rneas urement of

photodetectors using optical hetегоdyne

detection technique. Electron tett. 1986, и, 22,р. 337-338, ний лазерных мод в процессе изменения этой частоты, а также определение быстродействия по измеренным параметрам, отличающийся тем, что освещение осуществляют одним многочастотным лазером, при этом измерение разностной частоты биений производят перестройкой длины резонатора и для каждой длины резонатора измеряют зависимость интенсивности продольных мод От длины ВОлны, т

2002271

2002271

4,дб

-20

8 3,см

Составитель Г, Акчурин

Техред М.Моргентал Корректор Н. Король

Редактор Т. Юрчикова

Заказ 3172

Тираж Подписное

НПО " Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101