Представлены физические принципы работы сверхвысокочастотных (СВЧ) p–i–n-фотодиодов на основе полупроводниковых соединений А3B5, а также проведен анализ физических явлений, ограничивающих их характеристики. Рассмотрены конструкции СВЧ-фотодетекторов, разрабатываемых для линий аналоговой оптоволоконной связи и систем радиофотоники для радиолокации.
Physical principles of operation of microwave p-i-n photodiodes based on III-V compound semiconductors are presented. Physical reasons limiting pin photodiodes characteristics are analyzed. Modified constructions of microwave pin photodiodes developed for analog fiber optic communications and microwave photonics systems for radiolocation are considered.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- eLIBRARY ID
- 22968188
Разработкой СВЧ ФД для аналоговой оптоволоконной связи наиболее активно занимаются последние 20 лет научные коллективы из США, Японии и Тайваня. При проектировании СВЧ ФД необходимо четко определять задачи и условия применений, где будут использоваться тот или иной тип прибора. В настоящее время наиболее используемыми и востребованными СВЧ ФД являются конструкции на основе PDA p–i–n-ФД и модифицированные UTC p–i–n-ФД, удовлетворяющие параметрам быстродействия и динамического диапазона по входной мощности светового излучения. Дальнейшими задачами при разработке СВЧ ФД являются совершенствование технологии изготовления гетероструктур и оптимизация конструкции фотодетекторов.
Список литературы
1. Minasian R. A. // Optical Fiber Technology, 2000. V. 6. P. 91.
2. Seeds A. J., Williams K. J. // Journal of Lightwave Technology. 2006. V. 24. P. 4628.
3. Berceli T., Herczfeld P. // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2010. V. 58. P. 2992.
4. Jalali B., Xie Y. M. // Optics Lett. 1995. V. 20. P. 1901.
5. Urick V. J., Hastings A. S., McKinney J. D., et al. // IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics. 2008. P. 86. 6. Adachi S. Physical Properties of III-V Semiconductor Compounds. — New York: Wiley, 1992.
7. Shur M. Physics of Semiconductor Devices, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1990.
8. Bowers J. E., Wey Y. G. High-speed photodetectors. In M. Bass, editor, Handbook of Optics: Fundamentals, Techniques and Design, McGraw-Hill Inc., 2 nd edition, 1995.
9. Wey Y. G., Giboney K. S, Bowers J. E., et al. // IEEE Photonic Tech. Lett., 1993.
10. Simons R. Optical Control of Microwave Devices, Artech House, Boston, 1990.
11. Drigger R. G. Encyclopedia of optical engineering, vol. 2, New York, NY: Marcel Dekker, 2003.
12. Kato K., Hata S., Kawano K. et al. // IEICE Transactions on Electronics. 1993. V. E76-C. P. 214.
13. Shiyu X. Doctor of Philosophy, The University of Sheffield, 2012.
14. Beling A., Campbell J. C. // J. Lightw. Technol. 2009. V. 27. P. 343.
15. Pao-Lo Liu, Williams K. J., Frankel M. Y. et al. // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1999. V. 47. P. 1297.
16. Williams K. J., Esman R. D, Wilson R. B., et al. // IEEE Photon. Technol. Letters. 1998. V. 10. P. 132.
17. Malyshev S., Chizh A., Andrievski V. / in Proc. 12th Eur. Gallium Arsenide Other Compound Semicond. Appl. Symp., 2004. P. 283.
18. Kato K. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1999. V. 47. P. 1265.
19. Williams K. J., Esman R. D. // J. Lightwave Technology. 1999. V. 17. P. 1443.
20. Malyshev S. A., Chizh A. L., Vasileuski Yu. G. // J. Lightwave Technology. 2008. V. 26. P. 2732.
21. Xiaowei Li, Ning Li, Xiaoguang Zheng, et al. // IEEE Photon. Technol. Lett. 2003. V. 15. P. 1276.
22. Paslaski J., Chen P. C., Chen J. S., et al. // Proc. SPIE, Photonics and Radio Frequency. 1996. V. 2844. P. 110.
23. Williams K. J., Tulchinsky D. A., Campbell J. C. // IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics. 2007. P. 9.
24. Ghione G. Semiconductor Devices for High-Speed Optoelectronics,
Cambridge University Press, 2009.
25. Филачёв А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника, фотодиоды. — М.: Физматкнига, 2011.
26. Pauchard A., Bitter M., Pan Z., et al. // IEEE Photon. Technol. Lett. 2004. V. 16. P. 2544.
27. Itakura S., Sakai K., Nagatsuka T., et al. // IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). 2009. P. 4.
28. Effenberger and Joshi A. // J. Lightw. Technol. 1996. V. 14. P. 1859.
29. Joshi A. M. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2000. V. 607. P. 115.
30. Datta S., Joshi A., Becker D. // Proc. of SPIE. 2009. V. 7339. P. 733905-1-10.
31. Joshi A., Heine F., Feifel // Proc. of SPIE. 2006. V. 6220. P. 62203-1-14.
32. Fernandes C. C., Pereira J. T. / Proc. Portuguese-Spanish Conf. in Electrical Engineering, Portugal. 2011. V. 1. P. 1.
33. Li X., Li N., Zheng, et al. // IEEE Photonics Technology Letters. 2003. V. 15. P. 1276.
34. Tulchinsky D. A., Williams K. J. // Optical sciences NRL Review. 2005. P. 195.
35. Malyshev S. A., Chizh A. L., Vasileuski Y. G. // J. Lightw. Technol. 2008. V. 26. P. 2732.
36. Tulchinsky D. A., Li X., Li N., at al // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2004. V. 10. P. 702.
37. Ishibashi T., Kodama S., Shimizu N., et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 1997. V. 36. P. 6263.
38. Ishibashi T., Furuta T., Fushimi, et al. // IEICE Trans. Electronic. 2000. V. E83-C. P. 938.
39. Datta S., Roenker K. P, Cahay M. M., et al. // Solid State Electronics. 1999. V. 43. P. 73.
40. Ishibashi T., Furuta T., Fushimi H., et al. // Proc. of SPIE. 2001. V. 4283. P. 469.
41. Shimizu N., Watanabe N., Furuta T., et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 1997. V. 37. P. 1424.
42. Fukano H., Muramoto Y., Matsuoka Y. // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. V. 39. P. 2360.
43. Hirota Y., Ishibashi T., Ito H. // J. Lightw. Technol. 2001. V. 19. P. 1751.
44. Jun D.-H., Jang J.-H., Adesida I., et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2006. V. 45. P. 3475.
45. Wang X., Duan N., Chen H., et al. // IEEE Photon. Technol. Lett. 2007. V. 19. P. 1272.
46. Guo L., Huang Y., Duan X., et al. // Chines Optics Letters. 2012. V. 10. P. S12301-4.
47. Li Z., Pan H., Chen H., et al. // IEEE J. of Quantum Electr. 2010. V. 46. P. 626.
48. Rouvalis E., Baynes F., Xie X., et al. // J. Lightw. Technol. 2014. V. 32. P. 3810.
49. Ishibashi T., Muramoto Y., Yoshimatsu T., et al. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014. V. 20. P. 3804210.
50. Shi J., Kuo F., Bowers J. // IEEE Photon. Technol. Lett. 2012. V. 24. P. 533.
51. Godinez M. E., McDermitt C. S., Hastings A. S., et al. // J. Lightw. Technol. 2008. V. 26. P. 3829.
52. Yang H., M.Daunt C. LL., Gity F., et al. // Proc. of SPIE. 2010. V. 7847. P. 784705-1-8.
1. R. A. Minasian, Optical Fiber Technology 6, 91 (2000).
2. A. J. Seeds and K. J. Williams, Journal of Lightwave Technology. 24, 4628 (2006).
3. T. Berceli and P. Herczfeld, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 58, 2992 (2010).
4. B. Jalali and Y. M. Xie, Optics Lett. 20, 1901 (1995).
5. V. J. Urick, A. S. Hastings, J. D. McKinney, et al., IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics, 2008. P. 86.
6. S. Adachi, Physical Properties of III-V Semiconductor Compounds. (New York: Wiley, 1992).
7. M. Shur, Physics of Semiconductor Devices (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1990).
8. J. E. Bowers and Y. G. Wey, High-speed photodetectors. In Handbook of Optics: Fundamentals, Techniques and Design, (McGraw-Hill Inc., 2 nd edition, 1995).
9. Y. G. Wey, K. S. Giboney, J. E. Bowers, et al., IEEE Photonic Tech. Lett., (1993).
10. R. Simons, Optical Control of Microwave Devices (Artech House, Boston, 1990).
11. R. G. Drigger, Encyclopedia of optical engineering, vol. 2, (New York, NY: Marcel Dekker, 2003).
12. K. Kato, S. Hata, K. Kawano, et al., IEICE Transactions on Electronics E76-C, 214 (1993).
13. X. Shiyu, Doctor of Philosophy, The University of Sheffield, 2012.
14. A. Beling and J. C. Campbell, J. Lightw. Technol. 27, 343 (2009).
15. Liu Pao-Lo, K. J. Williams, M. Y. Frankel, et al., IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 47, 1297 (1999).
16. K. J. Williams, R. D. Esman, R. B. Wilson, et al., IEEE Photon. Technol. Letters 10, 132 (1998).
17. S. Malyshev, A. Chizh, V. Andrievski, in Proc. 12th Eur. Gallium Arsenide Other Compound Semicond. Appl. Symp., (2004). P. 283.
18. K. Kato, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 47, 1265 (1999).
19. K. J. Williams and R. D. Esman, J. Lightwave Technology 17, 1443 (1999).
20. S. A. Malyshev, A. L. Chizh, and Yu. G. Vasileuski, J. Lightwave Technology 26, 2732 (2008).
21. Li Xiaowei, Li Ning, Zheng Xiaoguang, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 15, 1276 (2003).
22. J. Paslaski, P. C. Chen, J. S. Chen, et al., Proc. SPIE, Photonics and Radio Frequency 2844, 110 (1996).
23. K. J. Williams, D. A. Tulchinsky, and J. C. Campbell, IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics. 2007. P. 9.
24. G. Ghione, Semiconductor Devices for High-Speed Optoelectronics,
(Cambridge University Press, 2009).
25. A. M. Filachev, I. I. Taubkin, and M. A. Trishenkov, Solid-State Photoelectronics. Photodiodes. (Fizmatkniga, Moscow, 2011) [in Russian].
26. A. Pauchard, M. Bitter, Z. Pan, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 16, 2544 (2004).
27. S. Itakura, K. Sakai, T. Nagatsuka, et al., IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). 2009. P. 4.
28. Effenberger and A. Joshi, J. Lightw. Technol. 14, 1859 (1996).
29. A. M. Joshi, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 607, 115 (2000).
30. S. Datta, A. Joshi, and D. Becker, Proc. of SPIE 7339, 733905-1 (2009).
31. A. Joshi, F. Heine, and Feifel, Proc. of SPIE 6220, 62203-1 (2006).
32. C. C. Fernandes and J. T. Pereira, in Proc. Portuguese-Spanish Conf. in Electrical Engineering, (Portugal. 2011). V. 1. P. 1.
33. X. Li, N. Li, Zheng, et al., IEEE Photonics Technology Letters 15, 1276 (2003).
34. D. A. Tulchinsky and K. J. Williams, Optical Sciences NRL Review. 2005. P. 195.
35. S. A. Malyshev, A. L. Chizh, and Y. G. Vasileuski, J. Lightw. Technol. 26, 2732 (2008).
36. D. A. Tulchinsky, X. Li, N. Li, et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 10, 702 (2004).
37. T. Ishibashi, S. Kodama, N. Shimizu, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 36, 6263 (1997).
38. T. Ishibashi, T. Furuta, Fushimi, et al., IEICE Trans. Electronic. E83-C, 938 (2000).
39. S. Datta, K. P. Roenker, M. M. Cahay, et al., Solid State Electronics 43, 73 (1999).
40. T. Ishibashi, T. Furuta, Fushimi, et al., Proc. of SPIE 4283, 469 (2001).
41. N. Shimizu, N. Watanabe, T. Furuta, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 37, 1424 (1997).
42. H. Fukano, Y. Muramoto, and Y. Matsuoka, Jpn. J. Appl. Phys. 39, 2360 (2000).
43. Y. Hirota, T. Ishibashi, and H. Ito, J. Lightw. Technol. 19, 1751 (2001).
44. D.-H. Jun, J.-H. Jang, I. Adesida, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45, 3475 (2000).
45. X. Wang, N. Duan, H. Chen, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 19, 1272 (2007).
46. L. Guo, Y. Huang, X. Duan, et al., Chines Optics Letters 10, S12301-4 (2012).
47. Z. Li, H. Pan, H. Chen, et al., IEEE J. of Quantum Electr. 46, 626 (2010).
48. E. Rouvalis, F. Baynes, X. Xie, et al.,J. Lightw. Technol. 32, 3810 (2014).
49. T. Ishibashi, Y. Muramoto, T. Yoshimatsu, et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 20, 3804210 (2014).
50. J. Shi, F. Kuo, and J. Bowers, IEEE Photon. Technol. Lett. 24, 533 (2012).
51. M. E. Godinez, C. S. McDermitt, A. S. Hastings, et al., J. Lightw. Technol. 26, 3829 (2008).
52. H. Yang, C. LL. M.Daunt, F. Gity, et al., Proc. SPIE 7847, 784705-1 (2010).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Наумов Н. Д. Ракурсное рассеяние радиоволн плазменным цилиндром 5
Крылов В. И., Хомяков В. В. К вопросу о расчете сечений тормозного излучения электронов, проходящих через упорядоченную структуру кулоновых центров, в процессе ускорения внешним однородным электрическим полем 8
Охрем В. Г. Анизотропный термоэлектрический охладитель на основе поперечного эффектa Пельтье 16
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Шахатов В. А., Лебедев Ю. А. Диагностика возбужденных частиц в водородной плазме (обзор). Часть II*. Распределение энергии по внешним и внутренним степеням свободы молекулы водорода 21
Майоров С. А., Голятина Р. И., Коданова С. К., Рамазанов Т. С., Бастыкова Н. Х. Плазменно-пылевые структуры в He–Ar-высокочастотном разряде 39
Иванов В. А., Коныжев М. Е., Камолова Т. И., Дорофеюк А. А., Куксенова Л. И., Лаптева В. Г., Хренникова И. А., Алексеева М. С. Упрочнение приповерхностного слоя конструкционной стали при взаимодействии с импульсными микроплазменными разрядами 47
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Кузнецов П. А., Мощев И. С. Сравнительный анализ БИС считывания с цифровым режимом временной задержки накопления для ФПУ ИК-диапазона 71
Филачёв А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Области применения изделий твёрдотельной фотоэлектроники (обзор) 77
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Чистохин И. Б., Журавлев К. С. СВЧ-фотодетекторы для аналоговой оптоволоконной связи 85
ИНФОРМАЦИЯ
Резолюция Всероссийского форума технологического лидерства России “ТЕХНОДОКТРИНАТМ-2014” 95
Сводные данные по журналу за 2013 г. 97
Правила для авторов 114
Бланк для подписки 116
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
N. D. Naumov Specular scattering of radio waves from cylindrical plasma 5
V. I. Krylov and V. V. Khomyakov On the question of the calculation of bremsstrahlung cross sections passing through the ordered structure of Coulomb centers electrons and accelerated by a homogeneous electric field 8
V. G. Okhrem Anisotropic thermoelectric cooler based on the transverse Peltier effeсt 16
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
V. А. Shakhatov and Yu. А. Lebedev Diagnostics of the excited particles in hydrogen plasma. Part II. The energy distribution of hydrogen molecules on internal and external degrees of freedom 21
S. A. Maiorov, R. I. Golyatina, S. K. Kodanova, T. S. Ramazanov, and N. Kh. Bastykova Plasma–dust structures in He–Ar RF discharge 39
V. A. Ivanov, M. E. Konyzhev, T. I. Kamolova, A. A. Dorofeyuk, L. I. Kuksenova, V. G. Lapteva, I. A. Khrennikova, and M. S. Alekseeva Strengthening the near-surface layer of constructional steel at interaction with pulse microplasma discharges 47
PHOTOELECTRONICS
P. A. Kuznetsov and I. S. Moshchev ROICs for scanning IR FPA with digital TDI mode 71
A. M. Filachov, I. I. Taubkin, and M. A. Trishenkov A review on applications of the devices of the solid-state photoelectronics 77
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
I. B. Chistokhin and K. S. Zhuravlev Microwave photodetectors for analog fiber optic communications 85
INFORMATION
Resolution of All-Russian Forum on Technological Leadership of Russia – TECHNODOCTRINATM-2014 95
Summary data on the journal during 2013 97
Rules for authors 114
Subscription to the Journal 116
Другие статьи выпуска
Рассмотрены основные области применения изделий твёрдотельной фотоэлектроники: системы дневного, ночного и теплового видения, системы дистанционного зондирования Земли, лазерные системы и устройства на оптронных парах, в том числе волоконнооптические и открытые оптические линии передачи информации. Среди гражданских применений выделены медицина, промышленность, энергетика. Без фотоэлектроники нельзя представить и современное вооружение. Рассмотрены тепловые, корреляционные, ультрафиолетовые головки самонаведения, системы астроориентации и астрокоррекции. Важнейшими средствами обнаружения стали системы оптической пассивной и активной локации, их стремительное развитие обусловлено прогрессом инфракрасных матриц. Фактически фотоэлектроника проникла во все сферы деятельности человека
Анализируются варианты построения БИС считывания для сканирующих ИК ФПУ с цифровым режимом ВЗН. Накопление и обработка фотосигнала в цифровом виде позволяют существенно повысить количество каскадов ВЗН и, соответственно, улучшить отношение сигнал-шум на выходе БИС считывания. Рассмотрены две основные архитектуры БИС считывания с цифровым режимом ВЗН: шинно-адресная и конвейерная. Приведены варианты построения однобитных АЦП: преобразователь «фототокчастота», преобразователь «фототок-временной интервал». Отмечены преимущества конвейерной архитектуры: меньшая занимаемая площадь в сочетании с пониженной потребляемой мощностью.
Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия импульсных микроплазменных разрядов с образцами из стали-45 при возбуждении в разрядах импульсных электрических токов с амплитудами от 100 А до 650 А. В результате микроплазменной обработки на поверхности образцов формируется сплошной переплавленный слой на глубину до 20 мкм с развитым микрорельефом, который характеризуется сильно измененными физическими, микрогеометрическими и триботехническими свойствами металла. Созданный в результате воздействия микроплазменных разрядов на поверхности образцов микрорельеф обладает прочностными свойствами, существенно превосходящими соответствующие свойства стальных образцов, подвергнутых стандартной термической объёмной закалке.
Разряд в смеси газов обладает рядом особенностей, которые могут проявляться в экспериментах с пылевой плазмой. Например, при большом отличии атомных весов ионов и атомов, имеет место сильная анизотропия функции распределения ионов по скоростям, что в свою очередь может вызывать значительное изменение свойств пылевых структур. В работе выполнен анализ экспериментов по исследованию пылевых образований в газовом разряде смеси легкого и тяжелого газов — гелия и аргона, и представлены результаты численного моделирования дрейфа ионов и электронов в смеси этих газов, а также процессов зарядки пылевых частиц.
Представлена вторая часть обзора по спектральной диагностике возбужденных частиц в водородной низкотемпературной плазме (первая часть опубликована в журнале «Успехи прикладной физики» в 2014 г., Т. 2, № 6). Описаны результаты определения поступательной температуры и функций распределения по колебательным и вращательным уровням молекулы водорода в основном и возбужденных состояниях методами лазерной, эмиссионной и абсорбционной спектроскопии в газовых разрядах в водороде. На основе обзора создана база данных по поступательным температурам, функциям распределения молекул водорода по вращательным и колебательным уровням в основном и возбужденных состояниях.
На основе двумерной температурной модели анизотропного термоэлектрического холодильника, работающего на основе поперечного эффекта Пельтье, создана теория, с помощью которой при наличии соответствующей компьютерной программы, можно оптимизировать максимальное снижение температуры. В работе приведена иллюстрация схемы этих расчетов.
В первом борновском приближении найдены и проанализированы сечения тормозного излучения электронов, проходящих через упорядоченную структуру кулоновых центров и ускоряемых однородным электрическим полем в широком интервале его значений. Определены условия применимости сечений, полученных аналитически ранее в литературе. Показано, что ранее полученные сечения, соответствующие частоте фотона 10-2, совпадают с результатами настоящей работы при напряжении поля более 10-4 (атомных единиц).
На основе принципа Гюйгенса получено аналитическое выражение для ЭПР неоднородного плазменного цилиндра в случае ракурсного рассеяния радиоволн. Проанализировано влияние длины цилиндра и азимутального угла приемника на интенсивность рассеянного радиосигнала.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400