CC BY
15Ссылка на статью: // Радиостроение. 2021. № 02. С. 1-12
DOI: 10.36027/rdeng.0221.0000189
Научно-практический журнал представлена в редакцию: 12.02.2021
http .//www. rad iovega.su А.Р. Гасанов, Р.А. Гасанов, А.Р. Рустамов, P.A.
Ахмедов, М.В. Садыхов © 2021
УДК 621.391.272
Акустооптический формирователь светового импульса для измерения параметров фотоприемников
Гасанов А.Р.1'", Гасанов P.A.1, "afia.aasanov-Sligraailju
Рустамов А.Р.1, Ахмедов P.A.1, Садыхов М.В.1
Национальная Академия Авиации Азербайджана,
Баку, Азербайджан
Предложено акустооптическое устройство, которое формирует световой импульс для измерения параметров фотоприемников. Получены формулы для определения параметров светового импульса. Установлены влияния параметров формирователя на результаты измерения. Показано, что при анализе результатов измерения влияние параметров формирователя легко может быть учтено как приборная погрешность. Установлено, что наибольшим влиянием обладает время пересечения оптического пучка упругим волновым пакетом. Для оценки адекватности результатов теоретических исследований проведен численный анализ. Установленные положения подтверждены соответствующими экспериментами.
Ключевые слова: акустооптическое устройство, световой импульс, фотоприемник, упругий волновой пакет, приборная погрешность, оптический пучок
Постановка задачи
Широкое освоение оптического диапазона предопределяет необходимость разработки новых оптоэлектронных приборов, которые применяются в различных областях науки и техники для решения большого разнообразия задач. Фотоприемник (ФП) является важнейшим компонентом любого оптоэлектронного изделия [1]. Поэтому непрерывно проводятся поиск новых фоточувствительных материалов и разработка приборов на их основе. Параллельно создаются новые методы и средства измерения параметров фотоприемников [2,3,4]. В [2] предлагается метод измерения параметров быстродействия фотоприемников, в котором испытательный сигнал - сверхкороткие (около 3 пс) оптические импульсы формируются импульсным волоконным лазером. Саморегулирующийся электрический метод измерения частотных характеристик высокоскоростных фотоприемников посредст-
Радиостроение
вом сегментарного преобразования с повышением частоты, основанного на низкоскоростной фотонной выборке предлагается в [3]. Модуляционный метод для измерения параметров фотоприемника на длину волны 10,6 мкм в гетеродинном режиме предлагается в [4]. Очевидно, что во всех случаях исключена возможность адаптации параметров испытательного сигнала к ожидаемым значениям параметров фотоприемника. Следовательно, каждый из этих методов в отдельности не может быть использован для исследования фотоэлектрических характеристик широкого спектра полупроводников, в том числе фотоприемников.
Таким образом создание измерительной системы, которая легко адаптируется к исследованию фотоэлектрических характеристик различных полупроводниковых материалов, в частности фотоприемников является важной научно-технической задачей.
Инерционность оценивают постоянной времени нарастания переходной характеристики тФП или временем нарастания переходной характеристики тнфп. Постоянная времени нарастания переходной характеристики тФП определяется как промежуток времени от начала облучения до момента, когда выходная величина достигает (1 — 1/е) -100 = 63,2% установившегося значения. В то время как время нарастания переходной характеристики тнфп определяется как промежуток времени в течение которого выходная величина изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения. В случае обработки аналогового сигнала, инерционность ФП характеризуется граничной частотой /грфП, на которой амплитуда сигнала на его выходе уменьшается до уровня 0,707 (на 3 дБ ) относительно стационарного значения. Между этими параметрами существует однозначная связь:
/рФП = 1/(2жтФП ) = 1п(9)/(2жтн фП ) . (1)
В большинстве случаев эффективность измерения параметров ФП непосредственно или косвенно связана с точностью формирования светового импульса с требуемыми длительностью и мощностью. Для решения этой проблемы можно использовать особенностей фотоупругого эффекта. Именно этот вопрос обсуждается в данной работе.
Схема и принцип работы акустооптического формирователя светового
импульса
Фотоупругий эффект [5] реализуется в акустооптическом модуляторе (АОМ), представляющим собой (рис. 1) изготовленную из стекол или кристаллов фотоупругую среду (ФУС), к одному торцу которой прикреплен электроакустический преобразователь (ЭАП) длиной Ь и шириной Н, а к другому - акустический поглотитель (АП). В АОМ электрический сигнал преобразуется ЭАП в упругую волну (УВ) с длиной волны Л, распространяющуюся в ФУС к АП со скоростью о . Просвечивающий АОМ пучок света от лазера с длиной волны X модулируется при дифракции на неоднородностях диэлектрической проницаемости, вызываемых деформациями материала ФУС, обусловленными УВ.
Рис. 1. Схема акустооптического формирователя светового импульса
В схеме на рис. 1 используется режим дифракции Брэгга, при котором лазерный свет падает в апертуру АОМ под углом Брэгга, 0В = агс8т(0,5^/Л). После акустооптического взаимодействия в ФУС часть светового пучка отклоняется в первый дифракционный порядок. Отклоненный свет детектируется ФП, выходной отклик которого отстает от входного воздействия ивх (?) на время т = х0/и, где х0 - расстояние от ЭАП до области акустооптического взаимодействия [6].
АОМ работают на частотах от нескольких десятков МГц до единиц ГГц. Поэтому спектр входного импульса ивх ^) с нужными параметрами необходимо перенести в область рабочих частот АОМ. Следовательно, наличие амплитудного манипулятора (АМ) и генератора высокой частоты (ГВЧ) является обязательным условием [7]. Как правило, частота ГВЧ выбирается равной центральной частоте АОМ.
Теория работы устройства
В формировании времени нарастания импульса на выходе ФП участвуют две слагаемые: время пересечения оптического пучка упругим волновым пакетом и постоянная времени нарастания ФП. Сначала рассмотрим работу устройства с идеальным безынерционным ФП. Примем, что время нарастания отклика ФП формируется только за счет времени пересечения оптического пучка упругой волной. Для простоты рассмотрим случай, когда используется оптический пучок с круглым поперечным сечением, который имеет равномерное распределение интенсивности в пределах его поперечного сечения (рис.2).
Рис. 2. Геометрия взаимодействия упругой и оптической волн в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного пучка с круглым поперечным сечением
Процесс вхождения упругого волнового пакета в оптический пучок сопровождается увеличением площади поперечного сечения отклоненного светового пучка ^ (х) от нуля
до максимального значения £0. Площадь поперечного сечения отклоненного светового пучка ^ (х) равна площади сечения акустооптического взаимодействия в плоскости хог и определяется следующим уравнением:
х
¿1 (х) = |Н' (х) йх, при х0 < х < х0 + й, (2)
х0
где
Н'(х) = 2^1 й(х - х0) - (х - х0)2 , при х0 < х < х0 + й (3)
- длина линии пересечения переднего фронта упругой волны со световым пучком в плоскости хог ; х - текущая координата; й - диаметр лазерного пучка света.
При х > х0 + й, площадь поперечного сечения отклоненного светового пучка будет
равна максимальному значению £0, и определяться как:
х0 + й
¿1 (х)|х>х= ¿0 = | Н'(х) йх = 0,25жй2, при х0 + й < х < х0 + ит,, (4)
х0
где т - длительность импульса напряжения мвх (г) на входе формирователя.
Учитывая, что в выбранной системе отсчета текущая координата х связана с текущим временем г равенством х = иг, соотношения (2) и (3) можно перенести на временную плоскость в следующей форме:
г
¿1(г) = и-| Н' (г) йг, при т< г <т+й/и;
при т< г <т+й/ и.
Н'(г) = 2и — г - г
й. 2
и
с(г -т) — с(г -т-й) и
где с (г) - единичная функция Хевисайда.
На основе последних выражений записываем конечное уравнение для площади поперечного сечения отклоненного светового пучка в следующей форме:
г
¿1(г) = 2и2(г-т) - (г-т)2 йг, при т< г <т+Щи. (5)
Процесс вхождения упругого волнового пакета в оптический пучок описывается нормированной функцией
Яф (г) = т/¿о. (6)
Определяемая по формуле (6) функция ^ (г) является переходной характеристикой
акустооптического формирователя светового импульса.
Подставляя (4) и (5) в (6) получаем следующее выражение для переходной характеристики:
4и г
^ (*) = '•! Н '(^ , при т-1 -Т +
< г <Т + т
или
я '
ёф(г) =—-/М-т)-(^-т)2при т<г<Т +
Т т
< г <т + тп
где т0 = d|и.
С момента / = т + (Ци начинается полное акустооптическое взаимодействие, что продолжается до момента г = т + т . Затем упругий волновой пакет начинает выходить из апертуры светового пучка, что сопровождается уменьшением площади поперечного сечения отклоненного светового пучка ^ (х) от максимального значения £0 до нуля. Другими
словами процесс выхода упругого волнового пакета из апертуры светового пучка описывается функцией аналогичной (7), которая имеет знак минус и смещена на время равной длительности входного импульса т . В результате на выходе идеального ФП формируется
напряжение
и
вых.ф
(г) = с [ ёф (г) - ёф (г-т)]:
(8)
где с - постоянный множитель.
Численный анализ 1
Анализ проводится для двух значений диаметра светового пучка 1,6мм и 0,6мм. Также принимается, что и = 3630м / с, т = 0,2мкс, т = 1мкс и постоянный множитель
с = 1. Расчет проводится в среде Mathcad по формулам (7) и (8). Расчетные графики приведены на рис.3.
Рис. 3. Расчетные графики напряжения на выходе безынерционного ФП, при и = 3630м / с;
т. = 1мкс; т = 0,2мкс
По формуле (7) и по графикам на рис. 3 определяется время нарастания переходной характеристики тнф, как время, в течение которого функция ^ (г) изменяется от 0,1 до
0,9 своего максимального значения, т.е. до 1. Оно в случае (= 1,6мм составляет
т„ф = 0,303мкс, а в случае й = 0,6мм - тнф = 0,114мкс, что подтверждается графиками
на рис. 3. В обеих случаях длительности импульсов равны (определяется на уровне 0,5 от максимального значения) и составляет 1мкс, т.е. равна длительности входного импульса
т.
Теперь рассмотрим работу устройства с реальным инерционным ФП, который характеризуется постоянной времени нарастания переходной характеристики тФП и (или)
временем нарастания переходной характеристики тнфп. Переходная характеристика ФП описывается выражением
gФП (г) = 1- е-тфП . (9)
Отклик такого ФП на прямоугольный световой импульс с длительностью т определяется следующим образом:
ивЬхФП (г) = С [ gфП (г) - gфП (г-т, )] . (10)
Общая переходная характеристика формирователя светового импульса и фотоприемника g(г) находится как произведение функции (г), которая определяется выражением (7), на функцию gФП (г), которая определяется выражением (9). Другими словами
g(г) = gф (г) ■ gфп (г). (11)
Соответственно, если на вход формирователя светового импульса подается электрический импульс мвх (г) с длительностью гi, то на выходе ФП формируется напряжение
ивЬх (г) = с Ы) - g(t-тг)]. (12)
Из совместного анализа формул (7)-(12) следует, что при выполнении условия т0 « тФП, удовлетворяются следующие примерные равенства:
g(г) * gфп (г) и иеых(г) * ивыхЛП(г). (13)
Параметры конкретного образца формирователя светового импульса остаются неизменными, а их влияние может быть вычислено и учтено в дальнейших измерениях как приборная погрешность. Соответственно по параметрам определяемого по формуле (12) отклика можно вычислить инерционность ФП.
Численное значение постоянного множителя в формулах (8) и (10) обсуждается в работе [8].
Численный анализ 2
Примем, что на вход формирователя светового импульса с параметрами и = 3630м/с; т = 0,2мкс ; й = 1,6мм ; постоянный множитель с = 1, подается прямоугольный импульс с длительностью = 15 мкс. Также примем, что в качестве ФП используется ФД-24К, для которого по справочным данным тнфп <10 мкс [9].
По формуле (1) определяем тФП = тн фп/Ы9) <10/1п(9) = 4,551 мкс.
Вычисленный и построенный по формулам (7), (9), (11) и (12) графики откликов ФП без учета влияния формирователя (красная пунктирная линия) и с учетом влияния формирователя (синяя сплошная линия) приведены на рис. 4.
Рис. 4. Расчетные графики откликов ФП без учета влияния формирователя (красная пунктирная линия) и с учетом влияния формирователя (синяя сплошная линия), при и = 3630м /с; d = 1,6 мм ; г,= 15мкс;
т = 0,2 мкс
Из сравнения графиков на рис. 4 следует, что они практически совпадают. Другими словами, при выбранных параметрах, характеристики акустооптического формирователя светового импульса не влияют на параметры отклика ФП. Это обусловлено тем, что время нарастания переходной характеристики формирователя тнф в гнф77/гн^ = 10/0,303«33
раза меньше времени нарастания переходной характеристики фотоприемника тнфп и выполняется условие примерного равенства (13). Таким образом, основываясь на данные графиков на рис.3 и на полученные результаты численного анализа можно утверждать, что предложенный акустооптический формирователь светового импульса можно использовать для исследования инерционных свойств ФП. При этом, из сравнения графиков на рис. 3 следует, что путем уменьшения диаметра светового пучка можно расширить предельные возможности предложенного устройства.
Экспериментальная апробация
Акустооптический формирователь реализован на АОМ с центральной частотой 80 МГц, который выполнен на стеклообразном фотоупругом материале типа ТФ-7, в котором упругие волны распространяются со скоростью и = 3,63 км/с. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 5. Частота генератора Г4-107 выбирается равной центральной частоте АОМ.
Генератор импульсов Г5-5-1-
¡5
_С_
Осциллограф ЕЮОЬМЮ 40:2
Рис. 5. Схема экспериментальной установки
Были измерены параметры ФП типа ФД-24К. На рис. 6 приведены осциллограммы импульсов на входе формирователя и на выходе ФП. Импульс на выходе ФП отстает от импульса на входе формирователя примерно на 6 мкс, что обусловлено временем пробега упругого волнового пакета от ЭАП до области акустооптического взаимодействия.
Рис. 6. Осциллограммы напряжений на входе формирователя (1) и на выходе ФД-24К (2)
Определенное по осциллограмме на рис.6,2 время нарастания импульса примерно равно 7 мкс. Другими словами, точное значение времени нарастания переходной характеристики экспериментального образца ФД-24К меньше указанного (< 10 мкс) в паспорте изделия. Именно поэтому параметры расчетного графика на рис. 4 несколько отличаются от параметров осциллограммы на выходе ФП (рис.6,2). Длительности входного и выходного импульсов равны.
Высокочастотная наводка на выходном импульсе (рис.6,2) появляется из-за открытых контактов фотоприемника в лабораторном макете.
Заключение
Акустооптический формирователь легко адаптируется к ожидаемым значениям фотоэлектрических параметров объекта исследования и обеспечивает формирование свето-
вого импульса с необходимой длительностью и амплитудой. Энергию светового импульса можно выбирать с точностью до энергии одного фотона [10]. Следовательно, предлагаемый формирователь также пригоден для измерения чувствительности фотоприемников. Все это предопределяет высокий потенциал применения акустооптического формирователя светового импульса для измерения инерционности и чувствительности фотоприемников, а также для исследования фотоэлектрических характеристик полупроводников. Лабораторный вариант акустооптического формирователя позволил определить более точное значение времени нарастания переходной характеристики конкретного образца фотоприемника ФД-24К, что необходимо в некоторых случаях, например, при подборе фотоприемников с идентичными параметрами для акустооптического фазоинвертора с разделенной нагрузкой. Все это подтверждает конструктивность и действенность предложенного устройства в контексте решения аналогичных задач.
Список литературы
1. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов / Под ред. Р.Дж. Киеса: пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985. 328 с. [Optical and infrared detectors / Ed. by R.J. Keyes. 2nd ed. B.; N.Y.: Springer, 1980. 325 p.].
2. Бычков С.Б., Волков И.В., Глазов А.И., Королёв И.С., Савкин К.Б., Хатырев Н.П. Метод измерения параметров быстродействия фотоприёмников // Измерительная техника. 2020. № 8. С. 36-42. DOI: 10.32446/0368-1025it.2020-8-36-42
3. Mengke Wang, Shangjian Zhang, Yutong He, Zhao Liu, Xuyan Zhang, Heng Wang, Yangxue Ma, Bao Sun, Yali Zhang, Zhiyao Zhang, and Yong Liu. Self-referenced frequency response measurement of high-speed photodetectors through segmental up-conversion based on low-speed photonic sampling // Optics Express. 2019. Vol. 27. No. 26. Pp. 38250-38258. DOI: 10.1364/QE.382798
4. Ложников В.Е., Дирочка А.И. Модуляционный метод измерения параметров фотоприемного устройства на длину волны 10,6 мкм в гетеродинном режиме // Прикладная физика. 2016. № 3. С. 51-57.
5. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. 280 с.
6. Гасанов PA. Некоторые особенности расчета выходного отклика акустооптической линии задержки с прямым детектированием // Специальная техника. 2014. № 5. С. 28-39.
7. Гасанов А.Р., Гасанов PA. Акустооптические линии задержки низкочастотных и высокочастотных электрических сигналов // Специальная техника. 2013. № 1. С. 11-21.
8. Гасанов А.Р., Гасанов Р.А., Ахмедов Р.А., Агаев Э.А. Временные и частотные характеристики акустооптической линии задержки с прямым детектированием // Измерительная техника. 2019. № 9. С. 46-52. DOI: 10.32446/0368-1025it.2019-9-46-52
9. Гасанов Р.А. Фотоприемные устройства для акустооптических линий задержки //
Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2015. № 12. С 31-36. 10. Ахмедов Р.А., Гасанов А.Р., Гасанов Р.А., Гусейнов А.Г. Переходная характеристика акустооптической линии задержки и ее применения // Физические основы приборостроения. 2020. Т. 9. № 1(35). С. 71-78. DOI: 10.25210/1fop-2001 -071078
Radio Engineering
Radio Engineering, 2021, no. 02, pp. 1-12. DOI: 10.36027/rdeng.0221.0000189 Received: 12.02.2021
A.R. Hasanov, R.A. Hasanov, A.R. Rustamov, R.A. Ahmadov, M.V. Sadikhov © 2021
Acousto-optic Light Pulse Shaper for Measuring the Parameters of Photo-detectors
A.R. Hasanov1'*, R.A. Hasanov1, "afig-ga&anov-5i@raaiiju
A.R. Rustamov1, R.A. Ahmadov1, M.V. Sadikhov1
Azerbaijan National Aviation Academy, Baku, Azerbaijan Republic
Keywords: acousto-optical device, light pulse, photo-detector, elastic wave packet, instrumental
error, optical beam
The paper emphasizes that intensive utilization of the optical range increases the need for the development of new optoelectronic devices. Accordingly, there is a growth in the need for effective methods and tools to study photoelectric properties of semiconductor materials, including photo-detectors.
In the paper we have analyzed the well-known methods and tools for measuring the photo-detector parameters, defined the restrictions in their applications, and proved that it is relevant to create a measuring system, the parameters of which are easily adapted to the study of photoelectric characteristics of a wide range of semiconductor materials, including photo-detectors.
The scheme and principle of operation of the acousto-optic processor and the features of the photo-elastic effect are discussed, and it is proved that they can be used to form a light pulse of required duration and power. The expressions obtained for calculating the response at the acousto-optic processor output enable us to estimate separately the effects of time of crossing the optical beam by the elastic wave packet and the photo-detector inertia.
The capability to determine the time of crossing the optical beam by the elastic wave packet and taking it into account as a device error has been substantiated. The proposed formulas have been tested and by numerical analysis based on the datasheet specifications of the FD-24K photodiode, the effectiveness of the obtained expressions has been convincingly proven.
The inertia parameters of a particular sample of the FD-24K photodiode are experimentally studied. The emphasis is upon measuring the rise time of the transient response of the object under study. The exact rise time value of the transient response of the experimental FD-24K sample was approximately 7 p,s, which is less than that indicated (<10 p,s) in the product certificate. In real life, such a measurement is necessary when selecting the photodiode pairs with identical parameters.
By comparing the results of numerical analysis and experimental studies, it has been convincingly proven that the features of the photo-elastic effect can be used to construct a light pulse shaper with the required parameters.
References
1. Optical and infrared detectors / Ed. by R.J. Keyes. 2nd ed. B.; N.Y.: Springer, 1980. 325 p. (Russ. ed.: Fotopriemniki vidimogo i IK diapazonov / Ed. by R.J. Keyes. Moscow: Radio i Sviaz; Publ., 1985. 328 p.).
2. Bychkov S.B., Volkov I.V., Glazov A.I., Korolev I.S., Savkin K.B., Khatyrev N.P. A method of measuring the parameters of the response speed of photodetectors. Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 8, pp. 629-635. DOI: 10.1007/s 11018-020-01832-x
3. Mengke Wang, Shangjian Zhang, Yutong He, Zhao Liu, Xuyan Zhang, Heng Wang, Yangxue Ma, Bao Sun, Yali Zhang, Zhiyao Zhang, and Yong Liu. Self-referenced frequency response measurement of high-speed photodetectors through segmental up-conversion based on low-speed photonic sampling. Optics Express, 2019, vol. 27, no. 26, pp. 38250-38258. DOI: 10.1364/0E.382798
4. Lozhnikov V.E., Dirochka A.I. Modulation method for measurement of parameters of photodetectors at the wavelength of 10,6 mm for heterodyne applications. Prikladnaya fizika [Applied Physics], 2016, no. 3, pp. 51-57 (in Russian).
5. Balakshij V.I., Parygin V.N., Chirkov L.E. Fizicheskie osnovy akustooptiki [Physical bases of acousto-optics]. Moscow: Radio i Sviaz; Publ., 1985. 280 p. (in Russian).
6. Hasanov R.A. Several points about calculation of response of direct detection acousto-optic delay line. Spetsial'naia tekhnika [Special Techniques], 2014, no. 5, pp. 28-39 (in Russian).
7. Hasanov A.R., Hasanov R.A. Optoacoustic delay lines of low frequency and high frequency electrical signals. Spetsial'naia tekhnika [Special Techniques], 2013, no. 1, pp. 11-21 (in Russian).
8. Hasanov A.R., Hasanov R.A., Ahmadov R.A., Agayev E.A. Time- and frequency-domain characteristics of direct detection acousto-optic delay lines. Measurement Techniques, 2019, vol. 62, no. 9, pp. 817-824. DOI: 10.1007/s 11018-019-01700-3
9. Hasanov R.A. Photodetectors for acousto-optic delay lines. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika [Instruments and Systems: Monitoring, Control and Diagnostics], 2015, no. 12, pp. 31-36 (in Russian).
10. Ahmadov R.A., Hasanov A.R., Hasanov R.A., Huseynov A.Q. Transient response of an acoustooptic delay line and its applications. Fizicheskie osnovy priborostroeniia [Physical Bases of Instrumentation], 2020, vol. 9, no. 1(35), pp. 71-78. DOI: 10.25210/jfop-2001-071078
