ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

Плоскость соединения призмы

1 ......3..2

Поглощающая грань

Рисунок 2.41 − Призма Николя

Неполяризованное излучение (1) расщепляется на вертикально поляризованный (2) необыкновенный луч и горизонтально поляризованный (3) обыкновенный луч. Обыкновенный луч, отклоненный на большой угол, полностью внутренне отражается на границе связывающего вещества и попадает на грань кристалла, где он поглощается.

Необыкновенный луч попадает на связывающее вещество под углом, большим критического для полного внутреннего отражения, и проходит через кристалл.

Фотоприемники. Фотоприемники (ФП) предназначены для преобразования пространственно-временных изменений светового поля во временной сигнал, пригодный для дальнейшей электронной обработки и подразделяются на [22 - 25]: ФП мгновенного действия и ФП с накоплением заряда.

Фотоприемники мгновенного действия, к которым, в первую очередь, следует отнести фотоэлектронные умножители, фотодиоды с лавинным умножением носителей (ЛФД) и p-i-n-фотодиоды, имеют постоянную времени, малую по сравнению с характерными временами изменения регистрируемой интенсивности света, поэтому они осуществляют только пространственное интегрирование светового потока согласно алгоритму

I(t) = SI / 2ρ0 ∫ E&(x, y, t) 2dS,

sфп

где I(t) − ток на выходе ФП; SI − его чувствительность по току (А/Вт); ρ0 − волновое сопротивление вакуума (377 Ом).

Лавинные и p-i-n – фотодиоды. В быстродействующих фотоприемниках с полосой частот до нескольких гигагерц применяются фотодиоды (ФД) с p-i-n-структурой и лавинные фотодиоды.

ЛФД и диоды с p-i-n-структурой состоят из n+-подложки, слаболегированного слоя (i-слоя) и тонкого p+- слоя толщиной 0,3 мкм. При приложении обратного смещения обедненный слой распространяется на весь i-слой и слой собственной проводимости. В результате уменьшается емкость перехода, расширяется область поглощения света и повышается

71

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

чувствительность ФД. Падающий свет, затухая по экспоненциальному закону в зависимости от значения коэффициента поглощения α, вызывает появление фотовозбужденных носителей заряда. Фотовозбужденные носители, появившиеся в обедненном слое, ускоряются ЭП обедненного слоя (≥ 103 В/см) до скорости насыщения дрейфа (~ 107 см/с). Эту область называют областью дрейфа. Так как фотовозбужденные носители за пределами обедненного слоя в р+- и n+-слоях движутся за счет диффузии, то их скорость движения, равная ≈104 см/c, оказывается на три порядка ниже скорости дрейфа. Этот диффузионный ток является причиной ухудшения быстродействия ФД, которое проявляется в виде “хвоста” импульсной характеристики. Поскольку эти возбужденные носители перемещаются на расстояние порядка диффузионной длины и рекомбинируют, то тем самым уменьшается квантовый выход. Чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода, необходимо, чтобы область поглощения света находилась в обедненном слое. Для этого при проектировании фотодиода делают р+-слой как можно тоньше, а толщину i-слоя выбирают большей длины поглощения света (1/α). При этом длина поглощения для кремния на длине волны 0,8 мкм составляет 10 − 20 мкм, а величина рабочего напряжения, для получения достаточного обедненного слоя, оказывается сравнительно низкой − порядка 1 − 20 В.

В ЛФД обедненный слой, возникающий при приложении обратного напряжения, также необходимо рассматривать как область поглощения света; однако для создания ударной ионизации с помощью фотовозбужденных носителей рядом с p-n-переходом создают область с высоким значением напряженности электрического поля (более 105 В/см), которую рассматривают как область лавинного умножения. Если фотовозбужденные носители, возникшие в результате поглощения света в области дрейфа, инжектируют в область лавинного умножения, то под действием непрерывной ударной ионизации возникнет лавинное умножение фотовозбужденных носителей. Обычно ЛФД, благодаря эффекту лавинного умножения, обладают большей чувствительностью по сравнению с обычными ФД. Если напряжение смещения обозначить через U, а напряжение пробоя через Uп, то коэффициент умножения М приближенно может быть представлен эмпирической формулой:

где n = 2 – 6.

Он принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При U ≈ Uп с повышением напряжения происходит резкое

72

Введение в радиооптику

увеличение коэффициента умножения, который может принимать высокие значения порядка М ≈ 1000. С другой стороны, коэффициент умножения сильно изменяется при изменении напряжения и температуры, что является недостатком. При этом температурный коэффициент изменений напряжения пробоя составляет ≈ 0,2 %/oC. В схеме питания ЛФД необходимо предусмотреть меры, которые бы устраняли влияние этих изменений.

Быстродействие ЛФД ограничено временем пробега фотовозбужденных носителей и постоянной времени RC-цепочки. В области дрейфа скорость дрейфа достигает ~ 107 см/c, так что время пробега при ширине обедненного слоя 100 мкм оказывается небольшим, около 1 нс. При ширине несколько десятков мкм и ниже получается быстродействие порядка нескольких ГГц. Электростатическая емкость определяется суммой паразитной емкости корпуса и емкости перехода, зависящей от диаметра фотоприемной части и обедненного слоя. Она составляем 1 − 2 пФ. Следовательно, если сопротивление нагрузки положить равным 50 Ом, то постоянная времени RC-цепочки будет составлять 50 − 100 пс.

Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока ~ 80 − 100 %. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем − специально подобранным прозрачным для длины волны излучения λ, материалом толщиной кратной λ/4 и показателем преломления, равным (n1n2)0,5, где n1 и n2 − показатели преломления i-слоя и воздуха.

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с р-i-n-фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации.

Фотоприемники второго класса, напротив, имеют большую постоянную времени и поэтому кроме пространственного интегрирования осуществляют еще и временное интегрирование (временное накопление заряда), что описывается следующим образом:

T

Q = SI / 2ρ0 ∫ ∫ E&(x, y, t) 2 dSdt,

0 sфп

где Q − накопленный за время интегрирования Т заряд.

Важнейшими представителями этого класса являются линейки и матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых происходит

73

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

внутреннее накопление заряда на емкостях, соединенных с фоточувствительными p-n-переходами в интегральном исполнении. Накопленные в элементах линейки или матрицы ПЗС заряды считываются с помощью электронной схемы управления и преобразуются во временной электрический сигнал. Существует богатый ассортимент ФП обоих типов, выпускаемых как отечественной промышленностью, так и зарубежными фирмами.

Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) представляет собой фоточувствительную МДП–микросхему с регулярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика так близко друг от друга, что становится существенным их взаимовлияние, т.е. влияние электрических полей соседних электродов внутри кристалла полупроводника.

Электроды располагаются в виде линейки (строки) или матрицы; типичные размеры электрода: длина L = 5 мкм; ширина Z = 40 мкм; зазоры между ними l < 1...2 мкм; число электродов обычно 5 102...2 103 в линейном и 104...106 в матричном ФПЗС. Электроды изготавляются из тонкой, прозрачной для света алюминиевой фольги или (для увеличения прозрачности) из поликремния. Строка от строки матричного ФПЗС отделяется узкими областями стоп-канальной диффузии.

ФПЗС – это прибор, воспринимающий изображение, осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и формирование на выходе видеосигнала, эквивалентного изображению.

Принцип действия ФПЗС (рис. 2.42, а) рассмотрим на примере классической трехтактной схемы управления (рис. 2.42, б).

Рисунок 2.42 − ФПЗС и принцип его работы

В этом случае элементарная ячейка ФПЗС включает три соседних электрода 1 – 3 одной строки, а каждый из этих электродов соединен со своей шиной (всего три шины). В течение первой фазы к электроду 2 прикладывается положительное напряжение хранения (обычно Uхр = =0….20 В).

Благодаря возникающему электрическому полю основные носители оттесняются вглубь полупроводника и у поверхности образуется

74

Введение в радиооптику

обедненный слой (ОС) глубиной 0,5...2 мкм, представляющий собой потенциальную яму для электронов. Освещение ФПЗС порождает в объеме полупроводника электронно-дырочные пары, при этом электроны втягиваются в потенциальную яму и локализуются в тонком (около 10 нм) приповерхностном слое, причем число этих электронов пропорционально освещенности данного участка полупроводника. Перемещение электронов осуществляется путем дрейфа (внутри ОС) или диффузии (вне ОС). Накопление электронов ведет к образованию зарядового пакета, который определяется локальной интенсивностью и временем засветки (типичная объемная плотность электронов в пакете около 1018 см-3). Зарядовый пакет может относительно долго (1...100 мс) сохраняться, однако постепенно термогенерация объемными и поверхностными ловушками приводит к искажению хранимой информации. Во время второй фазы к электроду 3 прикладывается напряжение считывания Uсч > Uхр; вследствие близости электродов 2 и 3 барьер между ними исчезает и зарядовый пакет перетекает в более глубокую потенциальную яму. Здесь также имеют место дрейф (между электродами и вблизи краев) и диффузия электронов (под электродами). Понятно, что и на этой фазе происходит некоторая утеря информации: часть электронов зарядового пакета рекомбинирует при взаимодействии с поверхностными ловушками, а часть пропадает вследствие неполного перетекания зарядов.

Во время третьей фазы напряжение на электроде 3 снижается до Uхр, а с электрода 2 потенциал снимается. Заметим, что на электродах, к которым не приложены напряжения Uхр или Uсч, все время поддерживается небольшое напряжение смещения Uсм < Uхр, обеспечивающее обеднение всей поверхности полупроводника и ослабление поверхностной рекомбинации. Итак, зарядовый пакет перенесен на один шаг вправо и подготовлен к новому перемещению. Электрод 1 в этом процессе играет роль буфера, иначе слева от электрода 2 оказался бы электрод 3 предыдущей ячейки и во втором такте зарядовый пакет равновероятно мог бы перетекать как вправо, так и влево.

В конце каждой строки имеется элемент вывода, например n+- область под последним электродом: вытекающий через p-n-переход зарядовый пакет создает на нагрузочном резисторе выходной сигнал.

Таким образом, в ФПЗС пространственное распределение интенсивности излучения преобразуется в рельеф электрических зарядов, локализующихся в приповерхностной области. Зарядовые пакеты перемещаются от элемента к элементу, выводятся наружу и дают последовательность видеоимпульсов, адекватную полю излучения, т.е. осуществляется стандартный телевизионный алгоритм передачи образа. Линейки ПЗС работают аналогично.

75

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

В табл. 2.5 приведены параметры наиболее совершенных ФП мгновенного действия на основе KAL, а в табл. 2.6 даны параметры ФП с накоплением заряда на основе ПЗС-структур [1].

Транспаранты. Из материала, изложенного в п. 1.1, 2.2, понятна роль, которую играют транспаранты в КОП. Сигнальные транспаранты могут служить для ввода в оптическую систему обрабатываемого сигнала (статического), а опорные транспаранты используются для формирования передаточной функции оптической системы. Поскольку функция прозрачности Т(х,у) − величина положительная, то транспаранты, изготовляемые, например, на фотопластинках, могут влиять непосредственно только на амплитуду прошедшей через них волны. Для управления фазой необходимо делать пластинки переменными по толщине, что не технологично. Поэтому используется иной подход, основанный на идее осуществления фазовой модуляции пространственной несущей дифракционной решетки. Пусть функция прозрачности транспаранта зависит от одной

где T0 ≤ 0,5 − постоянная составляющая прозрачности.

Видно, что при θ(x) = 0 это просто гармоническая амплитудная дифракционная решетка с пространственной частотой кх. Ее можно получить, спроектировав на фотопластинку интерференционную картину, образованную двумя плоскими световыми волнами, падающими под некоторым углом друг к другу, и проэкспонировав ее. При θ(x) ≠ 0 имеется

76

Введение в радиооптику

пространственная угловая (фазовая) модуляция несущей, физически проявляющаяся в смещении полос прозрачности и почернения от положений, соответствующих периодической структуре. Представим себе, что на такой транспарант нормально к нему падает плоская световая волна с амплитудой Е0 (рис. 2.43), т.е.

E&пад = E&0 exp(−ikz).

Рисунок 2.43 − Лучевая картина дифракции на сигнальном транспаранте

Световое поле за транспарантом будет

E&пр = E&пад(x) = T0{E& exp(−ikz) + 0,5E& exp(−iкхх+iθ(x) −ikz) + + 0,5E& exp(−iкхх−iθ(x) −ikz)}.

Физически − это три волны:

− прошедшая через транспарант без изменения (первое слагае-

мое);

−отклонившаяся в направлении х > 0 под углом α = arctg кх/k ;

−отклонившаяся в направлении х < 0 на тот же угол α.

Две последние волны не являются плоскими, поскольку содержат фазовую модуляцию за счет функции θ(х). Для получения совместно амплитудной и фазовой модуляций можно на транспарант с прозрачностью, определяемой интенсивностью поля, продифрагировавшее на акустической волне, который уместно назвать несущим, наложить транспарант с переменной прозрачностью Т(х,у). Однако удобнее поступить иначе. Используя вторую координату у, можно изменять высоту несущего транспаранта вдоль этой координаты, т.е. реализовать транспарант, модулированный по высоте. Такой транспарант после фокусировки прошедшего через него света осуществляет амплитудную и фазовую модуляции последнего. Недостатком указанного транспаранта является его нетехнологичность, поскольку требуется изготовление дифракционной решетки с переменным шагом. Ниже будет показано, как на основе двумерного транспаранта нового типа можно исключить эту трудность. Особенно следует выделить транспаранты с управляемой функцией прозрачности. Эти транспаранты могут быть основаны на электрооптическом, магнитооптическом, эффекте оптической ориентации и др. Однако про-

77

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

мышленностью освоены и нашли широкое практическое применение управляемые транспаранты на основе жидкокристаллических матриц (ЖКМ), в которых используется эффект оптической ориентации нематических кристаллов под действием приложенного электрического поля. Транспарант этого типа представляет собой пару стеклянных плоскопараллельных пластин, между которыми заключена жидкокристаллическая среда. На пластинах расположена система прозрачных металлических электродов, к ним прикладывается управляющее напряжение, ориентирующее молекулы кристалла, в результате чего жидкокристаллическая среда приобретает анизотропию диэлектрических свойств. Такая среда обладает способностью вращать плоскость поляризации проходящего через нее света, т.е. осуществлять модуляцию по поляризации, которая с помощью анализатора может быть переведена в модуляцию по интенсивности [1].

Зарубежными фирмами выпускается широкий ассортимент электронных приборов на основе жидких кристаллов. В основном это матричные панели для различного рода дисплеев, а также пространственные модуляторы света. В табл. 2.7 приведены в качестве примера параметры некоторых из таких приборов.

78

Введение в радиооптику

3 АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ КОРРЕЛЯЦИОННОГО ТИПА

3.1 Акустооптические процессоры корреляционного типа с пространственным интегрированием

К АОП корреляционного типа относятся устройства оптической обработки, выходным продуктом которых является корреляционный интеграл пары сигналов, введенных тем или иным способом в оптическую систему. К этой же группе процессоров с тем, чтобы не усложнять их классификацию, можно отнести и фильтры (полосовые, ортогональные, согласованные и др.), формирующие на выходе интеграл свертки. В АОП корреляционного типа с пространственным интегрированием функция корреляции (свертки) образуется в результате пространственного интегрирования, выполняемого элементами оптической системы [1, 4].

Акустооптический согласованный фильтр. В настоящее время известны акустооптические корреляторы с пространственным интегрированием (АОКПИ) двух типов: гетеродинные и негетеродинные.

В гетеродинных АОКПИ используется параллельная дифракция света на обрабатываемом и опорном сигналах, а выходной сигнал формируется на радиочастоте. Алгоритм получения корреляционного интеграла в этом случае проиллюстрируем применительно к схеме акустооптического согласованного фильтра (АОСФ), предложенного впервые Л. Слободиным и представленного на рис. 3.1(а)

а)

б)

Рисунок 3.1 − Схема АОСФ (а) и лучевая картина дифракции (б)

Подлежащий обработке радиосигнал возбуждает в АОМ бегущую акустическую волну, на которой дифрагирует коллимированный когерентный световой пучок. Опорный сигнал записан на статическом

79

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

транспаранте Т, представляющем собой амплитудную (или фазовую) дифракционную решетку, пространственный период которой изменяется по закону угловой модуляции опорного сигнала. Совокупная дифракционная картина отображается линзой Л, выполняющей пространственное преобразование Фурье, в плоскость пространственных частот Р, где расположен фотоприемник (ФП) и последовательно включенный с ним полосовой усилитель (ПУ).

На рис. 3.1 (б) показан в упрощенной форме ход световых лучей в режиме линейной дифракции Рамана−Ната, причем лучи, идущие симметричным образом ниже оптической оси, не показаны, а цифрами отмечены номера дифракционных порядков после АОМ, Т и в плоскости пространственных частот. В области +1 дифракционного порядка плоскости пространственных частот интерферируют две световые волны, испытавшие параллельную дифракцию на сигнале в АОМ (+1,0) и на транспаран-

те (0,+1).

Эти волны промодулированы пространственными спектрами обрабатываемого и опорного сигналов соответственно так, что комплексная амплитуда светового поля в плоскости пространственных частот будет иметь вид суммы спектров

E& ≈ {u&s[t −(x + L) / V]exp(iΩt −iKx)}+ {u&T (x) exp(−iкк)},

L

где {*} = ∫{*}exp(−ipx)dx − оператор пространственного преобразова-

−L

ния Фурье; u&S (t) u&T (х) − комплексные огибающие сигналов s(t) и Т(х)

соответственно.

Ток ФП пропорционален интенсивности света, усредненной по площади фотокатода:

I(t) ≈ ∫∫ {u&s[t −(x + L) / V]exp(iΩt −iKx)}+ {u&т(x)exp(−iкx)}2dp =

S

= ∫∫ {u&s[t −(x + L) / V]exp(−iKx)}2 + ∫∫ {u&т(x)exp(−iкx)}2dp +

S S

+ 2Re{∫∫ {u&s[t −(x + L) / V]exp(−iKx)}[ {u&т(x)exp(−iкx)}]*dpexp(iΩt)}.

S

Третье слагаемое изменяется во времени с частотой Ω несущего колебания сигнала s(t), его можно выделить полосовым фильтром, включенным последовательно с ФП:

IΩ(t) ≈ Re{exp(iΩt)∫∫ {u&s[t −(x +L) / V]exp(−iKx)}[ {u&т(x)exp(−iкx)}]*dp}.

S

Суммарное световое распределение локализуется на его поверхности в окрестности точки р = К, если размеры ФП достаточно велики,

80