[LT] Išradimas priskiriamas mikrobangų įtaisams ir yra taikomas bangolaidžiu sklindančios elektromagnetinės (EM) bangos fazei moduliuoti. Optiškai valdomas spartus plačiajuostis fazės moduliatorius sudarytas iš penkių pagrindinių mazgų. Du cilindriniai metaliniai bangolaidžiai (2), pirmas iš kurių skirtas sužadinti pagrindinę bangolaidinio tipo bangą, o antras metalinis bangolaidis priima moduliuotą signalą ir perduoda jį toliau. Puslaidininkinio bangolaidžio (1), galai yra įstatomi į metalinius bangolaidžius (2), o L ilgio darbinė bangolaidžio (1) dalis patalpinta į solenoidą (3), kuris įtvirtintas ant karkaso (4). Bangolaidis (1) pagamintas iš skylinio laidumo puslaidininkio germanio (p-Ge), kurio EM savybės priklauso nuo koncentracijos proporcijų tarp sunkiųjų ir lengvųjų skylučių. Ši proporcija yra valdoma šviesos šaltinių sistema (5) keičiant šviesos intensyvumą bangolaidžio paviršiuje. Puslaidininkiniame p-Ge bangolaidyje sklinda tik pagrindinio tipo hibridinė banga (turinti žemiausią krizinį dažnį) su mažais nuostoliais prie tam tikrų fiksuotų normuoto dažnio reikšmių. Aukštesnio tipo hibridinės bangos šiame bangolaidyje turi labai didelius nuostolius, todėl greitai užgęsta. Keičiant sunkiųjų ir lengvųjų skylučių proporciją p-Ge bangolaidyje, keičiasi sklindančios pagrindinės bangos fazė.
[EN] The invention is assigned to microwave devices and it is applied to modulate a phase of a propagating electromagnetic (EM) mode. An optically controlled high-speed broadband phase modulator is made up of five main components. Two cylindrical metal waveguides (2), the first of ones is intended to excite the main waveguide mode. The second metal waveguide receives a modulate signal and transmit forward. A semiconductor waveguide (1) ends are placed into the metal waveguides (2) and the working part of the waveguide (1) with a length L is placed to a solenoid (3), which is fixed on the frame (4). The waveguide (1) is made of semiconductor p-type germanium (Ge) whose EM properties depend on a proportion between the heavy hole concentration and the light hole one. The proportion is controlled with a system of light sources (5). The higher modes of the waveguide are the parasitic ones. These modes have the very large attenuation.by changing the light intensity. The main hybrid mode (with the lowest cutoff frequency) only propagates on the semiconductor p-Ge waveguide with a very small attenuation at the certain frequencies normalized to a waveguide radius. The changing of a phase of the main wave of p-Ge waveguide occurs by varying a concentration proportion of heavy and light holes.
[0001] Išradimas priskiriamas mikrobanginiams įrenginiams ir yra taikomas bangolaidžiu sklindančios bangos fazei moduliuoti.
[0002] Analogiškas prietaisas buvo sukurtas [Babbitt R. W., Stern R. A. Dielectric waveguide ferrite modulator/switch, Įgaliotinis (Original Assignee): The United States of America as Represented by the secretary of the army, Patent US4490700 A, Dec 25, 1984].
[0003] Analogas yra nuolatiniu magnetiniu lauku valdomas feritinis moduliatorius. Pagrindinės moduliatoriaus dalys yra kvadrato formos skerspjūvio feritinis strypas ir solenoidas, kuriantis nuolatinį išilginį magnetinį lauką. Feritinis strypas patalpintas solenoido viduje ir yra priskiriamas dielektrinių bangolaidžių klasei. Tokiame girotropiniame bangolaidyje sklinda pagrindinė ir aukštesnio tipo hibridinės HEmn ir EHmn bangos.
[0004] Analogas turi tris esminius trūkumus. Pirma, tai sąlyginai mažas plačiajuostiškumas, kadangi stačiakampio formos skerspjūvio bangolaidyje gali sklisti didesnis parazitinių bangų skaičius, lyginant su tokio pat skerspjūvio ploto cilindrinės formos bangolaidžiu. Antras trūkumas – maža įtaiso greitaveika, kadangi valdančiojo magnetinio lauko H0 (B0 = μ0μrH0) pokytis gaunamas keičiant solenoidu tekančios srovės stiprį, todėl valdymo procesas yra inertiškas, nepakankamai spartus. Trečias trūkumas – ribotas darbo dažnių diapazonas, dėl staigaus ferito fazės pokyčio sumažėjimo (proporcingo bangos ilgiui) įmagnetintame feritiniame bangolaidyje aukštų dažnių srityje. Viršutinė dažnių riba, kada keičiant H0 gali keistis ferito fazės pokytis, yra 2/3 YAD (ypač aukšti dažniai, 30–300 GHz) diapazono. Šių trūkumų neturi puslaidininkinės medžiagos.
[0005] Siekiant išvengti pirmojo minėto trūkumo, siūlomas cilindrinis bangolaidis su normuotu spinduliu fr = 0,03–0,1GHz·m. Kai fr < 0,03 GHz·m, moduliatoriaus veikimas būtų nestabilus, nes šioje srityje yra pagrindinio bangos tipo krizinis dažnis, be to, fazės pastovioji keičiasi pernelyg sparčiai, kintant dažniui. Kai fr > 0,1 GHz·m susižadina didelis skaičius aukštesnio tipo parazitinių bangų, kurios yra tos pačios simetrijos kaip ir pagrindinio tipo banga ir jų nuostoliai yra vienos eilės su pagrindinės bangos nuostoliais. Todėl bendri moduliatoriaus nuostoliai padidėja, be to, parazitinių bangų nuostoliai papildomai ir neprognozuojamai moduliuotų bei iškraipytų naudingą signalą. Atkreipiame dėmesį, kad atitinkamų matmenų stačiakampiame plazminiame puslaidininkiniame bangolaidyje prie aukštesnių dažnių atsiranda žymiai didesnis skaičius aukštesnio tipo parazitinių bangų, todėl stačiakampė bangolaidžio forma pablogina moduliatoriaus charakteristikas.
[0006] Siekiant išvengti antrojo minėto trūkumo, siūloma pakeisti feritinę medžiagą, iš kurios pagamintas bangolaidis, puslaidininkine skylinio laidumo germanio (p-Ge) medžiaga. Šio puslaidininkio EM savybės priklauso nuo koncentracijos proporcijos tarp sunkiųjų ir lengvųjų skylučių. Tokiu būdu, užuot valdant (magnetiniu lauku H0) bangolaidyje sklindančios bangos ilgį, siūloma fiksuoti pastarąjį dydį, o valdymą atlikti keičiant lengvųjų ir sunkiųjų skylučių koncentracijas. Tai pasiekiama pereinant skylutėms iš vienos energijos juostos į kitą, veikiant medžiagą infraraudonosios šviesos spinduliais, kurių bangos ilgis p-Ge atveju yra ~2–10 μm (esant laisvųjų krūvininkų koncentracijai N ~ 1019–1022 m-3). Toks optinis skylučių perėjimas iš vienos valentinės juostos lygmens į kitą yra labai greitas – dešimtųjų pikosekundės dalių eilės (~10-13 s). Duomenys apie šio proceso greitaveiką paimti iš literatūros [Beregulin E.V. et al. Mechanisms of energy relaxation under conditions of nonlinear absorption of light in p-type Ge, Sov. phys. Semicond., 16 (2), 1982, p. 179–181]. [Leung C.Y. Enhanced direct-free-hole absorption in picosecond laser-excited Germanium, Kinese Journal of Physics, Vol. 18, N4, 1980, p. 158–171].
[0007] Siekiant išvengti trečiojo minėto trūkumo, siūloma įmagnetintą feritą pakeisti kieto kūno puslaidininkine plazma. Plazminis puslaidininkinis bangolaidis gali veikti visame YAD diapazone, o taip pat ir aukštesnių dažnių, pavyzdžiui, HAD (hiperaukštieji dažniai, 300–3000 GHz) diapazone. Kiekvienam dažnių diapazonui yra apskaičiuojamas bangolaidžio spindulys. Norint gauti norimas bangolaidžio EM charakteristikas, t. y. nustatyti reikiamas medžiagos savybes tam tikrame dažnių ruože, reikia atitinkamai pakeisti puslaidininkio laisvųjų krūvininkų koncentraciją N ir (arba) dydį H0.
[0008] Mūsų siūlomo optiškai valdomo spartaus plačiajuosčio fazės moduliatoriaus, sudaryto iš atviro puslaidininkinio plazminio bangolaidžio ir apšvietimo sistemos, naujumas yra tas, kad cilindrinės formos bangolaidis pagamintas iš skylinio laidumo germanio (p-Ge), kurio EM savybės stipriai priklauso nuo koncentracijos proporcijos tarp sunkiųjų ir lengvųjų skylučių, o ši proporcija yra valdoma keičiant šviesos intensyvumą šviesos šaltinių sistemos pagalba.
[0009] Išradimo esmė paaiškinta brėžiniuose, kuriuose parodyti:
[0010] 1 pav. Optiškai valdomo spartaus plačiajuosčio fazės moduliatoriaus konstrukcija.
[0011] 2 pav. Pagrindinio ir aukštesniųjų bangos tipų normuoto fazės koeficiento h′r priklausomybė nuo normuoto dažnio fr plazminiame p-Ge bangolaidyje, kurio εk = 16, B0 = 1 T, N = 5·1019 m-3, m*h = 0,279me, m*l = 0,043me, μ*h = 6,3 m2/V·s, μ*l = 40,9 m2/V·s, kai sunkiųjų skylučių koncentracija puslaidininkyje sudaro 70 %.
[0012] 3 pav. Pagrindinio ir aukštesniųjų bangos tipų normuoto slopinimo koeficiento h″r priklausomybė nuo normuoto dažnio fr plazminiame p-Ge bangolaidyje, kurio εk = 16, B0 = 1 T, N = 5·1019 m-3, m*h = 0,279me, m*l = 0,043me, μ*h = 6,3 m2/V·s, μ*l = 40,9 m2/V·s, kai sunkiųjų skylučių koncentracija puslaidininkyje sudaro 70 %.
[0013] 4 pav. Pagrindinio bangos tipo fazinės charakteristikos h′r(fr) priklausomybė nuo santykinės sunkiųjų skylučių koncentracijos. Punktyrinėmis linijomis pavaizduotos kreivės atitinka sunkiųjų skylučių koncentracijas 50 %, 55 %, 90 % ir 95 %, ištisinėmis linijomis pavaizduotos kreivės atitinka sunkiųjų skylučių koncentracijas 60–90 %.
[0014] Moduliatorius sudarytas iš elementų: puslaidininkinis p-Ge bangolaidis (1); cilindriniai metaliniai bangolaidžiai (2); solenoidas (3); dielektrinis karkasas (4); šviesos šaltinių sistema (5); laikikliai (6).
[0015] Moduliatorius veikia tokiu būdu. Plazminis puslaidininkinis cilindrinis bangolaidis yra pagamintas iš laidumo germanio (p-Ge), kurio dielektrinės skvarbos tenzoriaus elementai εxx, εxy, εzz, t. y. EM puslaidininkio savybės skirtingomis kryptimis, stipriai priklauso nuo koncentracijos proporcijos tarp sunkiųjų ir lengvųjų skylučių, o ši proporcija yra valdoma šviesos šaltinių sistemos. Keičiant šviesos, apšviečiančios bangolaidžio darbinį paviršių, intensyvumą, yra keičiama bangolaidyje sklindančios EM bangos fazė. Svarbu, kad cilindrinio plazminio p-Ge bangolaidžio normuotas spindulys yra diapazone fr = 0,03–0,1 GHz·m, sunkiųjų skylučių koncentracija yra keičiama nuo 60 % iki 90 % bendros skylučių koncentracijos N bangolaidyje. Moduliatorius skirtas darbui ir prie žemos temperatūros, todėl gali būti naudojamas palydovinėje įrangoje, dirbančioje virš Žemės stratosferos (Kosmose).
[0016] Siūlomo įtaiso aktualumą ir poreikį patvirtina pastarųjų metų patentai:
[0017] 1. [Eu-Jin Andy Lim et al. Optical Modulator and Method for Manufacturing the Same, Assignee: Agency For Science, Technology and Research, Patent US20130071058 A1, Mar 21, 2013]. Naudojama sudėtinga daugiasluoksnė struktūra, sudaryta iš sluoksniuoto germanio (Ge) ir silicio (Si) bangolaidžio, sudėtingos metalinių kontaktų konfigūracijos ir oksido sluoksnio. Germanio bangolaidis taip pat suformuotas iš kelių sluoksnių. Struktūroje yra du bangolaidžiai, ryšys tarp kurių sudarytas per germanio bangolaidį. Konstrukcijos trūkumai – sudėtinga gamyba, inertiškumas.
[0018] 2. [Hideki Yagi; Method for manufacturing semiconductor optical modulator and semiconductor optical modulator, Assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd. (Osaka), Patent US20120308173 A1, Dec 06, 2012]. Naudojama sudėtinga daugiasluoksnė dvilaidė mikrojuostelinė (MJL) struktūra, sudaryta iš p-tipo ir n-tipo puslaidininkinių sluoksnių padėklo, įžemintas sluoksnis gali būti pagamintas iš nelegiruoto puslaidininkio InP. Juostelių, pagamintų iš silicio nitrido (SiN) arba silicio oksido (SiO2), storis yra 300 nm. Trūkumas – konstrukcijos sudėtingumas.
[0019] 3. [Toshio Baba et al. Optical modulator and method for manufacturing same, Assignee: Nec Corporation, Patent US20120003767 A1, Jan 5, 2012]. Konstrukcijoje panaudotas atviras daugiasluoksnis briaunuotas bangolaidis, sudarytas iš puslaidininkinių ir dielektrinių sluoksnių. Trūkumai – konstrukcijos sudėtingumas ir inertiškumas.
[0020] 4. [Je Ha Kim et al. High speed semiconductor optical modulator and fabricating method thereof, Assignee: Electronics and Telecommunication Research Institute, Patent US6392781 B1, May 21, 2002]. Naudojama sudėtinga daugiasluoksnė vienlaidė MJL struktūra, turinti įvairių dydžių bangolaidinius kanalus.
[0021] Plazminio p-Ge bangolaidžio dispersinės charakteristikos buvo išnagrinėtos kai sunkiųjų skylučių koncentracija puslaidininkyje sudaro nuo 0 iki 100 % visų krūvininkų koncentracijos N, su žingsniu 5 %. Čia mes pristatėme p-Ge bangolaidžio dispersines charakteristikas (2, 3 pav.), kai sunkiųjų skylučių koncentracija yra 70 %. Pristatytos pagrindinės (turinčios žemiausią krizinį dažnį) bangos HE11 ir trijų aukštesnio tipo parazitinių hibridinių bangų dispersinės kreivės. Fazinė bangolaidžio charakteristika yra tiesinė plačiame dažnių ruože (4 pav.). Bangolaidžio normuotas dažnis fr = 0,03‒0,1 GHz·m, pastoviojo magnetinio srauto tankis (magnetinė indukcija) B0 = 1 T, bendra skylučių koncentracija N = 5·1019 m-3, sunkiųjų skylučių efektinė masė m*h = 0,279me, lengvųjų skylučių efektinė masė m*l = 0,043me, kur me yra elektrono masė, sunkiųjų skylučių judris μ*h = 6,3 m2/V·s, lengvųjų skylučių judris μ*l = 40,9 m2/V·s.
[0022] Fazės poslinkis skaičiuojamas pagal (1) formulę:
[0023]
[0024] čia h′60 % ir h′90 % – pagrindinio bangos tipo išilginė sklidimo pastovioji, kai sunkiųjų skylučių koncentracija sudaro atitinkamai 60 % ir 90 % visų krūvininkų koncentracijos bangolaidyje; L – bangolaidžio ilgis.
[0025] Kai fr = 0,09 GHz·m, h′60 % = 7287 m-1, h′90 % = 7328 m-1, L = 10 cm, fazės poslinkis |ϑ|=235°.
1. Optiškai valdomas spartus plačiajuostis fazės moduliatorius, sudarytas iš atvirojo bangolaidžio su kūgiškai suformuotais galais (1), įstatytais į metalinius cilindrinius bangolaidžius (2), solenoido (3), kuriančio išilginį nuolatinį magnetinį lauką H0, ir dielektrinio karkaso (4), besiskiriantis tuo, kad plazminis (giroelektrinis) puslaidininkinis bangolaidis (1) turi cilindrinę formą ir pagamintas iš skylinio laidumo germanio (p-Ge), kurio elektromagnetinės (EM) savybės labai priklauso nuo koncentracijos proporcijos tarp sunkiųjų ir lengvųjų skylučių, ši proporcija yra valdoma šviesos šaltinių sistema (5) keičiant šviesos intensyvumą.
2. Moduliatorius pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad cilindrinio plazminio puslaidininkinio bangolaidžio normuotas spindulys yra diapazone fr = 0,03–0,1 GHz·m.
3. Moduliatorius pagal 1 ir 2 punktus, besiskiriantis tuo, kad sunkiųjų skylučių koncentracija keičiama nuo 60 % iki 90 % bendros skylučių koncentracijos N bangolaidyje.
4. Moduliatorius pagal 1–3 punktus, besiskiriantis tuo, kad išorinis dielektrinis karkasas (4), kuris sudarytas iš solenoido laikiklio ir atšvaito, yra tuščiaviduris cilindras, pagamintas iš išorinio nemagnetinio dielektrinio sluoksnio, kurio išoriniame paviršiuje įtvirtintas nuolatinį išilginį magnetinį lauką kuriantis solenoidas (3), o vidinis karkaso paviršius yra nemagnetinis dielektrinis sluoksnis, pagamintas iš medžiagos su aukšta santykine dielektrine skvarba, atliekantis atšvaito (reflektoriaus) funkciją, o dielektrinis karkasas (4) ir šviesos šaltinių sistema (5) tvirtinami laikikliais (6) prie bangolaidžio.
5. Moduliatorius pagal 1–4 punktus, besiskiriantis tuo, kad šviesos šaltinių sistema (5) yra sudaryta iš pakankamo kiekio ir konfigūracijos šviesos šaltinių, kurių šviesos spinduliai koncentruojami lęšiais ir krisdami ant p-Ge bangolaidžio (1) paviršiaus, būtų vienodos poliarizacijos ir intensyvumo išilgai viso darbinio ilgio L paviršiaus, o šviesos intensyvumą reguliuojanti sistema yra valdoma nuolatine įtampa, kuri priklauso nuo moduliuojančio signalo.