Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электроника и генерация импульсных колебаний с высокой и сверхвысокой частотой повторения
1.1. Генерация импульсов с частотой повторения до сотен мегагерц 18
1.2. Полупроводниковая электроника и генерация электрических импульсов со сверхвысокой частотой повторения 22
1.3. Полупроводниковые лазеры для формирования и генерации импульсов светa в диапазоне СВЧ 28
1.4. Генерация импульсов на СВЧ и быстродействие систем электроники .32
1.4.1. Сверхбыстродействующая полупроводниковая электроника 32
1.4.2. Генерация импульсных колебаний на СВЧ 35
1.4.3. Тактовая частота, быстродействие вычислительных устройств и эффективность оптических систем передачи цифровой информации 42
1.4.4. Современное состояние генерации импульсных колебаний и методы определяющие быстродействие электронных систем
1.5. Постановка задачи 51
1.6. Для выполнения поставленной задачи, необходимо решить 54
Глава 2. Переходные и импульсные процессы в биполярных транзисторах
2.1. Переходные процессы 55
2.1.1.Включение транзистора 56
2.1.2.Выключение транзистора 65
2.2. Импульсный процесс и метод переноса для его анализа 68
2.2.1. Импульсный процесс и характеристика, метод переноса 69
2.2.2. Расчет импульсного процесса в транзисторе на СВЧ 78
2.2.3. Амплитудные спектры гармоник импульсных колебаний на СВЧ .83
2.3. Импульсные транзисторы 86
2.4. Методы измерения импульсно-частотных параметров 88
2.5. Формирователи импульсов со сверхвысокой частотой повторения 92
2.6. Основные результаты и выводы 93
Глава 3. Математическая модель и анализ импульсных процессов в транзисторах
3.1. Универсальная математическая модель 94
3.2. Численное решение системы уравнений модели 100
3.3. Переходные процессы в полевом транзисторе Шоттки 109
3.4. Импульсные процессы при переключении ПТЗШ 110
3.5. В канале ПТЗШ пульсирующий домен сильного поля 113
3.6. Характеристики импульсного полевого транзистора 114
3.7. Формирование импульсных колебаний 115
3.8. Импульсные процессы в разных структурах электроники 115
3.9. Основные результаты и выводы 117
Глава 4. Импульсные процессы в trapatt диоде в режиме генерации импульсных колебанй
4.1. Математическая модель для анализа импульсных процессов 119
4.2. Анализ импульсных процессов в TRAPATT диодах 124
4.3. Генерация импульсных колебаний 135
4.4. Переходные процессы 141
4.5. Метод расчета процессов в генераторе на TRAPATT диоде 144
4.6. Генераторы импульсных колебаний 148
4.7. Основные результаты и выводы 149
Глава 5. Туннелирование электронов в структурах со сверхрешетками и в кластерных образованиях
5.1. Быстродействие туннельных р-п переходов 151
5.2. Сверхрешетки, их быстродействие и функциональные возможности 155
5.3. Переключение кластерных сверхрешоток 159
5.4. Основные результаты и выводы 162
Глава 6 Импульсные процессы в инжекционных лазерах на СВЧ
6.1. Модели для анализа работы инжекционных лазеров на СВЧ 164
6.2. Импедансы и модуляционная характеристика инжекционных лазеров в широком диапазоне СВЧ 167
6.3. Согласование лазера с волноводом в широкой полосе СВЧ 174
6.4. Методы экспериментального исследования лазеров на СВЧ 180
6.5. Субгармонический резонанс в инжекционных лазерах 183
6.6. Инжекционный лазер в системе с внешним резонатором 188
6.6.1. Генерация самоподдерживающихся пульсаций и импульсов света..188
6.6.2. Режим активной синхронизации мод 194
6.6.3. Лазеры в режиме генерации импульсов 198
6.7. Оптический виброизмеритель и источник световых колебаний 200
6. 8. Основные результаты и выводы 201
Глава 7 Синхро – фотонная инжекция и импульсная электроника
7. 1. Синхро-фотонная электроника 204
7. 1. 1. Работа и свойства синхро-фотонных элементов 204
7. 1. 2. Синхро-фотонные транзисторы 205
7. 1. 3. Синхро-фотонные лавинно–пролетные диоды 206
7. 1. 4. Синхро-фотонная инжекция в гетеролазер 212
7. 1. 5. Модуляция лазера электрическими и оптическими сигналами 215
7. 2. Импульсная электроника и характерные ее особенности .217
7. 3. Основные результаты и выводы 223
Основные результаты и выводы 224
Список публикаций по теме диссертации 227
Список цитированной литературы
- Полупроводниковые лазеры для формирования и генерации импульсов светa в диапазоне СВЧ
- Импульсный процесс и метод переноса для его анализа
- Импульсные процессы при переключении ПТЗШ
- Метод расчета процессов в генераторе на TRAPATT диоде
Полупроводниковые лазеры для формирования и генерации импульсов светa в диапазоне СВЧ
Исследование принципов и методов генерации импульсных колебаний с высокой, сверхвысокой и предельно возможной частотой повторения является одной из актуальных проблем радиофизики. В 1955-60 годы, работы по этой тематике начали разделяться на три направления. Первое сохраняло интерес к релаксаторам. На триодах, лампах со вторичной эмиссией импульсы достигли длительность 25 нсек, частота повторения, как высокая, была 1 МГц, амплитуда 15 В [1.1]. На триодах в схеме блокинг-генератора, Е. Н. Буторин получил импульсы длительностью 5,58 нсек, частота 10 кГц [1.2]. В релаксаторах с запаздывающей обратной связью, частота повторения достигала десятки мегагерц [1.3, 1.4]. В монографии Л. А. Моругина и Г. В. Глебовича [1.5] сделано обобщение таких исследований и показана в те годы достигнутая максимальная частота повторения импульсов - несколько мегагерц.
Стремление достичь высокие частоты повторения электрических импульсов привело к исследованию СВЧ нелинейных систем. Большое количество таких работ их объединило во второе направление. Корнетет Н. Г. и Джозенханс И. Г. разработали клистрон с коаксиальным коллектором [1.6]. Сгруппированные сгустки электронов возбуждали импульсы с частотой повторения 0,1- 0,7 ГГц (рис. 1.1). Их форма была нестабильна и отличалась от прямоугольной. Подобные клистроны были разработаны и изготовлены в ЛЭТИ проф. А. Д. Сушковым, В. А. Меосом, И. Б. Вендик [1.8, 1.9] и исследованы в Вильнюсском НИИ радиоизмерительных приборов (ВНИИРИП). Тогда выполнялась первая плановая работа для начала изучения методов генерации импульсов до 1000 МГц [1.8]. Ответственный исполнитель этой НИР Ф. Вайтекунас предложил при помощи магнитного поля корректировать форму сгустка группируемых электронов в лампе бегущей волны с коаксиальным коллектором (рис. 1.2) [1.8].
В 1958 г. И. Г. Катаев предложил линии с ферритами, сегнетоэлектриками или варикапами, в которых возбуждаются ударные волны. Набег фазы гармоник формирует импульсы с фронтом 0,51 нсек. Частота повторения достигала 10 МГц при токе синусоидальной волны 30100 А [1.7].
В. Латинис исследовал полосковые линии с 15–20 параллельно включенными высокочастотными вакуумными диодами (рис. 1.3) [1.10]. Ф. Вайтекунас разработал вакуумный диод с распределенными катодом и анодом в виде полосковой линии с волновым сопротивлением 75 Ом. Полосковый диод (рис. 1.3) был изготовлен в ЛЭТИ под руководством проф. А. Д. Сушкова [1.10]. Большое внутреннее сопротивление дискретных диодов в линии или нагрев катода и анода в полосковом диоде ограничили максимальную частоту из синусоиды формируемых импульсов до 0,3 ГГц. По указанным причинам методы третьего направления, основанные на распределенных системах с СВЧ вакуумной электроникой или ферритами, оказались неперспективными. каскадах и процессы их переключения. Л. А. Моругин и Г. В. Глебивич обобщили опубликованные работы по наносекундным устройствам [1.5] и в 1964 г. представили методы формирования импульсов на полупроводниковых диодах с накоплением заряда, туннельных диодах, п-р-п-р структурах с S-образной ВАХ. Эти работы стали новым и основным направлением в 1970 - 80 г. нацеленным на полупроводниковую электронику. Начато интенсивное исследование ранее открытых физических эффектов, которые стали основой СВЧ электроники. Они создали базу для исследования методов генерации импульсных колебаний с гигагерцовыми частотами повторения. Появились теоретические работы по переходным процессам и импульсным свойствам биполярных (БТ) и полевых транзисторов (ПТ), туннельных диодов (ТД) и диодов с накоплением заряда (ДНЗ), диодов Ганна (ДГ) и лавинно-пролетных диодов (ЛПД), диодов Шоттки (ДШ) и элементов криоэлектроники (ЭК), ртутных реле (РР), структур на гетеропереходах (ГП). Каждый из указанных эффектов и его реализация в структурах имеет свои особенности, которые определяют возможность генерировать наносекундные колебания с низкой, высокой или со сверхвысокой частотой повторения.
Первый прорыв сделали работы Носова Ю. Р. [1.29] по теории ДНЗ и на таких диодах В. Латинисом во ВНИИРИП разработанные формирователи наносекундных единичных перепадов напряжения. ДНЗ, РР заняли твердые позиции среди формирователей импульсов с наносекундным фронтном [1.29, 1.5]. Исследования других авторов показали, что для генерации импульсных колебаний со сверхвысокой частотой повторения перспективными могут быть БТ и ПТ с барьером Шоттки [1.111.26], ЛПД и структуры со сверхрешетками, гетеролазеры [1.17, 1.27, 1.28]. Криогеника сложна в практическом применении и это ограничило интерес к ней. ТД способны стабильно делить гигагерцовую частоту и синхронизировать измерительную осциллографическую аппаратуру [1.30]. Эффект Ганна возбуждает домены различной формы, включая прямоугольную [1.17, 1.31].
Анализ публикаций и проведенные первые исследования раскрыли проблематику методов генерации импульсов на сверхвысоких частотах. Они были нацелены на проведение отбора элементов полупроводниковой (ПП) электроники и изучения ее частотных и импульсных свойств на СВЧ в режиме большого сигнала. Так определились пути теоретических и экспериментальных работ для достижения предельных гигагерцовых частот повторения электрических и световых импульсных колебаний с пикосекундными временными параметрами. Перечислим эти пути. 1. Основой метода генерации или формирования электрических импульсов является полупроводниковый элемент, который способен работать в широком диапазоне СВЧ при достаточной величине тока на нагрузке 50 Ом в режиме коммутации большим сигналом с пикосекундными временными параметрами. Такие его особенности раскрывает исследование импульсных процессов и разработка критериев оценки частотных и импульсных свойств, характеристик, которые определяют работоспособность элементов в данном режиме генерации; 2. Схема метода генерации является вторичной но самостоятельной задачей. Она подбирается и рассчитывается под ПП нелинейный элемент с учетом условий ее работы в коаксиальной или полосковой волноводной системе; 3. Лазеры на двойной гетероструктуре (ДГС) выделяются в отдельное направление методов генерации импульсов света. Однако они так же подчинены в 1- ом и 2- ом пунктах изложенным критериям и особенностям; 4. Выполнение в 1-ом, 2-ом и 3-ем пунктах изложенных условий требует разработки теоретической и экспериментальной научно-технической базы для комплексного исследования ПП элементов, схем и савокупности их совместной работы в рамках конкретного метода в режиме генерации импульсных колебаний на СВЧ. Методика исследований ПП элементов и методов генерации вцелом должна быть максимально подобной для наличия возможности сопоставления и сравнения полученных результатов разными методами;
Импульсный процесс и метод переноса для его анализа
Первый блок - отбор или разработка методов теоретического анализа импульсных процессов в элементах электроники в режиме генерации колебаний. Основу теоретического анализа составляют математические модели, составленные из уравнений непрерывности и Пуассона или другого фундаментального типа. Цель анализа - обеспечить строгую интерпретацию протекающих физических процессов в кристаллических образованиях элементной базы электроники с микронными размерами на уровне существующих технологий.
Второй блок - изучение импульсных процессов переноса инжектированных носителей, их накопления и рассасывания в структурах полупроводниковых элементов при быстром переключении в рамках предельных режимов работы.
Третий блок - учет влияния RCL образований в структурах элементов, в окружении кристаллов, схеме и СВЧ тракте. Расчет на основе эквивалентной схемы структуры и тракта, выполненный по требованиям особенностей СВЧ исполнения с нано-пико - секундным разрешением.
Четвертый блок - приспособление известных или разработка оригинальных методов экспериментального исследования частотных, импульсных свойств и переходных, импульсных процессов, измерения параметров полупроводниковых кристаллов в гигагерцовом диапазоне с пикосекундным разрешением. Приспособление или разработка метрологической базы и стендового оборудования на коаксиальных или полосковых системах для проведения исследования гаммы безкорпусных кристаллов структур или корпусированных элементов электроники в СВЧ исполнении, работающих на различных физических эффектах в широком диапазоне сверхвысоких частот.
Пятый блок - изучение и определение общности радиофизических закономерностей генерации и трансформации-формирования электрических и световых импульсных колебаний со сверхвысокой частотой повторения на различной ПП элементной базе. Выявление свойств элементов и в них протекающих импульсных процессов, которые обеспечивают формирование сгустков носителей, создающих импульсные колебания в волноводной системе.
Шестой блок – разработка методов и макетов или стендов на исследованных элементах электроники для генерации электрических и световых импульсных колебаний со сверхвысокой частотой повторения. Создание научной базы и составление рекомендаций для разработки метрологических или другого назначения импульсных генераторов на СВЧ.
Седьмой блок – предложение новых элементов полупроводниковой электроники и оптоэлектроники с существенными или принципиальными отличиями – основа Импульсной электроники, включая синхрофотонику.
Изученные процессы раскрывают качественные и количественные изменения внутреннего состояния ПП кристалла во время его переключения и показывают специфические особенности работы в импульсном режиме на СВЧ. Блоки исследования позволяют сделать оценку каждого метода генерации, сравнить их межу собою и наметиь пути дальнейшего развития одного или другого направления по радиофизике с учетом физики полупроводников. Раскрытие особонностей процессов переключения и переноса электронов или фотонов в импульсных ПП СВЧ структурах и сотрудничество с конструкторами и технологами, позволяет создавать новые модификации структур с расширенными возможностями, улучшенными и измененными их параметрами, достигая фемтосекундные времена переключения. Так же актуально исследовать предельное быстродействие разных структур, работающих в режиме большого сигнала на СВЧ. Выполненные исследования по единой методике и анализ результатов позволяют делать сравнительную оценку работоспособности и технических возможностей различных элементов для дальнейшего их развития.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты в области физики процессов в ПП электронике и их взаимодействие с электромагнитными колебаниями могут служить основой для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в данном научном направлении и создании новых источников импульсных колебаний с уникальными параметрами на СВЧ. 1.6. Для выполнения поставленной задачи, необходимо решить
1. Отобрать полупроводниковые структуры, работающие на разных физических эффектах с перспективой на их основе достичь максимальную предельную частоту повторения формируемых или генерируемых электрических и световых импульсных колебаний.
2.Подобрать математические модели и методы расчета или их разработать для анализа нано-пикосекундных импульсных процессов в полупроводниковых структурах, работающих на микроволнах в режиме большого сигнала с учетом параметров разных материалов - Si, GaAs, InP и других.
3.Исследовать влияние наличия RCL образований в кристаллах элементов, схемах и СВЧ тракте на параметры генерируемых колебаний.
4. Отобрать или разработать методы экспериментального исследования элементов электроники и оптоэлектроники для работы на СВЧ с пикосекундным разрешением для измерения их частотных и импульсных свойств и параметров.
5. Теоретически и экспериментально исследовать импульсные процессы в ПП элементах и максимальную их работоспособность в режиме большого сигнала на СВЧ с предельными пикосекундными временами переключения.
6. Исследовать герерацию импульсных колебаний со сверхвысокой частотой повторения на различных бескорпусных и корпусированных кристаллах ПП электроники и оптоэлектроники и определить их взаимодействие с СВЧ трактом.
7. Исследовать работу ПП лазеров на СВЧ в импульсном режиме. Определить коррекцию импульсных процессов в структурах оптоэлектроники и электроники при синхронной инжекции фотонов.
8. Разработать научную базу и рекомендации для создания измерительных импульсных генераторов или стендов для исследования и тестирования элементов импульсной электроники. Эта научная база также должна быть основой при создании или разработке импульсных источников другого назначения.
9. Предложить оригинальные полупроводниковые структуры импульсной электроники и оптоэлектроники, работающие на различных физических принципах с улучшенными импульсными свойствами и минимальным временем переключения на СВЧ, с расширенными функциональными возможностями. Сформулировать критерии, которые определяют и характеризуют импульсную электронику, включая синхрофотонику.
Импульсные процессы при переключении ПТЗШ
Импульсы со сверхвысокой частотой повторения могут быть сформированы на транзисторах двумя способами: путем ограничения синусоидальных колебаний на ограничителе или при их ограничении-усилении на переключателе тока. Предложены односторонний [8.А.с.] (рис.2.37,а). и двухсторонний ограничители [3.А.с] (рис. 2.37, б). В основу их работы положен транзистор с ОБ, выходные ВАХ которого имеют область со слабой зависимостью величины коллекторного тока от напряжения (рис.2.37, в).
Схемы одностороннего ограничителя (а) и двухстороннего ограничителя-формирователя (б) импульсов, ВАХ и эпюры напряжений (в).
Предложена модификация схемы переключателя тока [2.А.с.]. В цепь базы второго транзистора включена RCL цепочка (рис.2.38). Подбором ее параметров гасятся возбуждающиеся колебания - выбросы на вершине формируемых импульсов. Это улучшает форму колебаний и повышает частоту повторения. Достигнута частота импульсов F= 1,2 ГГц. Рис. 2.38. Схема переключателя тока с корректирующей RCL цепочкой в цепи базы второго транзистора.
Источник единичного перепада (ЕП) как генератор тока, увеличивает время перезарядки емкостей в структуре исследуемого транзистора, возрастает длительность ПХ. Увеличение амплитуды ЕП для сокращения фронта создает просачивание сигнала со входа на выход транзистора и в начале его ПХ появляется выброс.
Переходная характеристика транзистора в схеме с ОЭ однозначна, когда переключение проводится из генератора напряжения ЕП с амплитудой, которая рабочую точку выводит на линию критического режима (кн =і). ПХ с ОБ или с ОК требует тех же условий измерения с указанием схемы включения.
Определены характеристики, параметры и режим работы транзисторов, которые определяют максимальное импульсное быстродействие и позволяют получить макимальную предельную частоту повторения формируемых импульсных колебаний.
Дано определение импульсного процесса и импульсной характеристики ПП элемента. Разработан Метод переноса для расчета процессов формирования импульсных колебаний с максимальной сверхвысокой частотой повторения.
Предложены структуры импульсных транзисторов и разработаны методы экспериментального исследования их характеристик и параметров в диапазоне СВЧ. Предложен способ измерения граничной частоты fТ при помощи измерительной линии и метод измерения постоянной времени накопления неосновных носителей заряда в транзисторе. Разработан метод генерации равномерных спектров гармоник для измерения АЧХ элементов электроники.
Работы В. Шоккли дали начало математическому моделированию процессов в полупрводниковых структурах [3.1, 3.2]. Их развитие привело к одномерным и двумерным моделям выключения и включения полевых транзисторов [3.3 -3.14]. В структурах с длиной затвора меньшей четырехкратной толщины канала, сказываются двумерные эффекты [3.15]. Поэтому для исследования СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТЗШ) с длиной затвора, соизмеримой с толщиной канала, применяются двумерные модели. Локально -полевые модели достаточно точно описывают процессы в структурах с длиной затвора 0,5 мкм при длине канала в 1 мкм и более. Однако в указанных работах аппроксимации полевой зависимости коэффициента диффузии недостаточно обоснованы. В [3.16-3.21] отсутствует сравнение моделей с различной конечно-разностной аппроксимацией уравнений непрерывности, не учтено влияние подложки, не исследованы двумерные процессы переноса носителей при переключении импульсом большой амплитуды и изменения режима работы.
В настоящей работе на базе ПТЗШ разработана универсальная математическая модель для расчета импульсных процессов в структурах с различной геометрией и на разных материалах. Исследованы процессы переноса в канале с подложкой ПТЗШ на Si, GaAs, InP и в других структурах при их включении и выключении. Основные результаты этой главы опубликованы в работах
Двумерная математическая модель в диффузионно-дрейфовом приближении основана на системе уравнений Пуассона, непрерывности для электронов и дырок и выражений для электронного и дырочного токов: где cp - электростатический потенциал, пир- плотности свободных электронов и дырок, ЛD и TVA - плотности донорных и акцепторных примесей, q - заряд электрона, є - относительная диэлектрическая проницаемость, Jп и Jр плотности токов, RG - скорость рекомбинации-генерации электронов и дырок, //n и //p - подвижности, Dn и Dp - коэффициенты диффузии носителей.
Уравнения (3.1-3.5) вместе с уравнениями граничных условий и физических параметров исследуемой структуры образуют нелинейную систему алгебраических и дифференциальных уравнений в частных производных. В случае двумерного моделирования, структура определяется на плоскости ОXY. Тогда дивергенция градиента потенциала и уравнение Пуассона дхдх дуду
Универсальную двумерную математическую модель переноса заряда в ПП структурах на плоскости ОXY составляет система уравнений. Она включает основные уравнения (3.1 -=-3.5) и из них производные (3.6-е-3.15), уравнения физических параметров (3.16-3.28) и краевые условия (3.29-3.33). Аппроксимация дифференциальных уравнений выполнена конечно-разностным методом. Точность вычисления при решении приближенным методом зависит от способа построения аналогов уравнений (3.1-3.3). Модель отработана на структуре полевого транзистора с барьером Шоттки (рис.3.1).
Метод расчета процессов в генераторе на TRAPATT диоде
Расчет показал, что дифференциальное сопротивление р-п перехода R1 на импеданс лазера влияет только до частот 0,2... 0,3 ГГц. На более высоких частотах, R1 шунтируется диффузионной и барьерной емкостями С1. Эти емкости на мнимую составляющую импеданса лазера влияют до тех же частот, а на его реальную составляющую - примерно до ее минимума (0,8... 1,3 ГГц). R1 и С1 являются главными факторами, определяющими спад реальной составляющей импеданса. При больших значениях емкости С1, минимум ReZ появляется на более низких частотах. Сопротивление массива лазера R2 определяет минимум ReZ, а на ImZ влияния не оказывает.
В лазерах I-ой и II-ой группы, между металлизацией и полупроводником, имеется межэлектродная емкость С2. В III-ей группе контакты и в IV-ой группе мезаструктура не оказывают влияния на С2. С увеличением этой емкости, ReZ уменьшается, а ImZ незначительно увеличивается. Емкость С2 на импедансы лазеров влияние оказывает только в середине диапазона частот.
Сопротивление токоподводящих металлических элементов R3 другими авторами принималось постоянным и завышенным. Оказалось, что на СВЧ скин-эффект в токоподводящих металлических элементах пропорционален корню квадратному из частоты тока. Учет частотной зависимости R3 позволил уменьшить погрешность аппроксимации импедансов на 10-15 %. R3 на частотах выше его минимума в основном влияет на величину ReZ.
Емкость контактной площадки СЗ и индуктивность L проводка определяют величину мнимой составляющей импеданса ImZ. На частотах выше 1ч-2 ГГц, L и СЗ увеличивают реальную составляющую ReZ. L, СЗ, R2 и R3 образуют параллельный колебательный контур и его колебания могут создавать искажения. С4 влияния не оказывает и эта емкость не учитывается.
Анализируя работу лазера в узком диапазоне частот, допустимы упрощения эквивалентной схемы (рис. 6.1, б). В ReZ параметры L, С2, СЗ, R3 и R4 сводятся до минимума. На частотах выше 2 ГГц, параметры L, С2, СЗ, R2 и R3 остаются, а в менее ответственных случаях учитываются только L, СЗ и R3.
Исследованы AlGaAs/GaAs двухсекционные лазеры с мезаполосковым контактом. Малая длина модулирующей секции, порядка 20 мкм, имеет малую межэлектродную емкость (3-4 пФ). Кроме того, дифференциальное сопротивление модулирующей секции значительно больше аналогичного сопротивления однородного лазера и составляет 10-60 Ом. С повышением частоты модуляции до 1 ГГц, влияние шунтирующих емкостей в структуре возрастает, реальная часть ReZ уменьшается до величины порядка 10 Ом. С увеличением тока смещения уменьшается активное сопротивление р-п перехода и ReZ. В структуре создается LCR параллельный контур низкой добротности. Увеличение частоты незначительно увеличивает ReZ и далее она становится независимой от тока смещения. На частотах / =1-1,5-2 ГГц мнимая часть импеданса ImZ зависит от тока смещения. На более высоких частотах начинает преобладать индуктивность L.
Двухсекционные лазеры могут работать в режиме статического и динамического триггера с модуляцией и автомодуляцией при наличии синхронизации и без нее. Они генерируют импульсы длительностью менее 10 пс с частотой повторения в несколько гигагерц.
Режимы модуляции сравним и оценим при различном воздействии на лазер: 1 - напряжением, 2 - током, 3 - мощностью и 4 - сигналом, распространяющимся по СВЧ тракту (рис.6.6). Для оценки эффективности их работы надо знать характеристику фотоприемника, волновое сопротивление тракта р и коэффициент отражения от лазера.
Модуляционные характеристики, рассчитанные по полной эквивалентной схеме лазера (рис. 6.1, б), показаны на рис. 6.6, а. Модулируя напряжением создается наиболее неравномерная характеристика (1). На низких частотах, модуль импеданса лазера занижен и пропускает большой ток. На высоких частотах основная часть напряжения падает на проводке L и ток, модулирующий лазер уменьшается. Модуляция током выражает частотную зависимость квантовой эффективности (2). В скоростных уравнениях представлен модулирующий ток, поэтому анализируется модуляция током. В упрощенном виде анализа не учитывается вольтамперная и вольтфарадная характеристики лазера. Однако тогда большая часть тока протекает через емкости структуры и модуляционная характеристика перед резонансом имеет спад. Лазер излучает минимальную модулируемую мощность.
Отношение мощности излучения лазера к потребляемой электрической мощности выражает зависимость динамического коэффициента полезного действия от частоты КПДдинф. Кривая 3 наиболее равномерна. Такие характеристики удобно описать граничной частотой, на которой КПДдинф уменьшается или увеличивается за 3 дБ по сравнению с его значением на низких частотах. При наличии резонанса указывают две частоты - по уровню +3 дБ и -3 дБ. Характеристика КПДдинф измеряется модуляцией лазера. Когда известна частотная характеристика фотоприемника, КПДдинф аналогична члену 5 21 матрицы рассеяния четырехполюсника (4):
Номинал волнового сопротивления р волновода существенно влияет на его согласование с импедансом лазера. Создается отражение мощности модулирующего сигнала и возникают пульсации, вызывающие неравномерность модуляционной характеристики. На рис. 6.7 графически представлены расчетные зависимости параметров системы по которым можно определить минимальный уровень пульсаций при известном декременте нагрузки , волновом сопротивлении р и допустимых потерях мощности модулирующего сигнала. Декремент нагрузки (лазера) выражает отношение активного сопротивления к реактивному в волноводе на конкретной частоте. Минимальная величина отраженной мощности P и уровень пульсаций зависят от величины р и согласующих элементов на входе лазера. На рис. 6.7, б по кривой 6 можно определить оптимальное волновое сопротивление с реактивным сопротивлением нагрузки равным нулю в середине полосы частот. Эта методика подбора параметров применима и для фиксированных частот с ImZ=0.
