変調レトロリフレクター

半導体MQW変調器は、米国海軍の用途に必要なすべての要件を満たす数少ない技術の1つであり、そのため海軍研究所は特にこのアプローチの開発と普及に積極的に取り組んでいます。シャッターとして使用する場合、MQW技術には多くの利点があります。堅牢な固体であり、低電圧（20 mV未満）および低電力（数十ミリワット）で動作し、非常に高速なスイッチングが可能です。MQW変調器は、光ファイバアプリケーションでGbit/sのデータレートで動作しています。^{[ 1 ]}

逆バイアスでシャッターに中程度の電圧（約15V）を印加すると、吸収特性が変化し、長波長側にシフトして強度が低下します。そのため、この吸収特性付近のデバイスの透過率が劇的に変化し、オンオフキーイング形式で信号をキャリアインターロゲーションビームに符号化することが可能になります。^{[ 1 ]}

この変調器は、AlGaAsバリアに囲まれた75周期のInGaAsウェルで構成されています。このデバイスはn型GaAsウェハ上に成長され、p型コンタクト層で覆われているため、PINダイオードを形成します。このデバイスは、多くの優れたレーザーダイオード 光源と互換性のある980 nmの波長で動作するように設計された透過型変調器です。これらの材料は、反射型アーキテクチャでの動作において非常に優れた性能を発揮します。変調器の種類と構成アーキテクチャの選択は、アプリケーションに依存します。^{[ 1 ]}

成長したウェハは、エッチングと金属化の工程からなる多段階フォトリソグラフィ プロセスを用いて個別のデバイスに加工されます。NRLの実験用デバイスは5mmの開口部を備えていますが、より大きなデバイスも可能であり、現在設計・開発中です。MQW変調器はこれまで多くの用途で使用されてきましたが、このような大型の変調器は珍しく、特別な製造技術が必要であることを指摘しておくことが重要です。^{[ 1 ]}

MQW変調器は本質的にノイズの少ないデバイスであり、印加電圧を変調波形として正確に再現します。重要なパラメータは、I _max /I _{minで定義される}コントラスト比です。このパラメータは、全体の信号対雑音比に影響します。その大きさは、デバイスに印加される駆動電圧と、励起子ピークに対する探査レーザーの波長に依存します。コントラスト比は、飽和値に達するまで電圧の上昇とともに増加します。通常、NRLで製造された変調器は、構造に応じて、10 Vから25 Vの印加電圧に対して1.75:1から4:1のコントラスト比を有しています。^{[ 1 ]}

特定のデバイスの製造および加工において重要な考慮事項は 3 つあります。固有の最大変調速度と開口サイズ、消費電力と開口サイズ、および歩留まりです。^{[ 1 ]}

変調器のスイッチング速度の根本的な制限は、抵抗と容量の制限です。重要なトレードオフは、変調器の面積と有効開口部の面積です。変調器の面積が小さいと、容量も小さくなるため、変調速度を速くすることができます。しかし、数百メートル程度の長いアプリケーション範囲では、リンクを閉じるために大きな開口部が必要になります。特定の変調器の場合、シャッターの速度は変調器の直径の二乗に反比例します。^{[ 1 ]}

駆動電圧波形が最適化されている場合、MQW変調レトロリフレクタの消費電力は次のように変化します。

D _mod ⁴ * V ² B ² R _s

ここで、D _modは変調器の直径、V は変調器に印加される電圧（必要な光学的コントラスト比によって固定される）、B はデバイスの最大データレート、R _{Sはデバイスの}シート抵抗である。したがって、MQW シャッターの直径を大きくすると、大きな電力損失が発生する可能性がある。^{[ 1 ]}

MQWデバイスは、良好なコントラスト比を実現するために、高い逆バイアス電界で動作させる必要があります。完全な量子井戸材料ではこれは問題になりませんが、半導体結晶に欠陥があると、動作に必要な電圧よりも低い電圧でデバイスが破壊される可能性があります。具体的には、欠陥があると電気的短絡が発生し、PINダイオードの真性領域全体に必要な電界が発生しなくなります。デバイスが大きいほど、このような欠陥が発生する確率が高くなります。したがって、大型のモノリシックデバイスの製造で欠陥が発生すると、シャッター全体が失われます。^{[ 1 ]}

これらの問題に対処するため、NRLはセグメント化されたデバイスとモノリシック変調器を設計および製造しました。つまり、特定の変調器を複数のセグメントに「ピクセル化」し、各セグメントを同じ信号で駆動することができます。この技術により、速度とより大きな開口部を実現できます。「ピクセル化」は本質的にデバイスのシート抵抗を低減し、抵抗容量時間を短縮し、消費電力を削減します。たとえば、1センチメートルのモノリシックデバイスでは、 1 Mbit/sのリンクをサポートするために400 mWが必要になる場合があります。同様の9セグメントデバイスでは、 同じリンクと全体の有効開口部をサポートするために45 mWが必要になります。全体の直径が0.5 cmの9つの「ピクセル」を持つ透過型デバイスは、 10 Mbit/sを超える速度をサポートできることが示されています 。^{[ 1 ]}

この製造技術により、より高速な処理、より大きな開口部、および歩留まりの向上が可能になります。欠陥により1つの「ピクセル」が失われたとしても、それが9つまたは16つのうちの1つであれば、リンクを閉じるために必要な信号対雑音比を提供するのに必要なコントラスト比は依然として高いです。セグメント化されたデバイスの製造をより複雑にする考慮事項には、デバイス上のボンディングワイヤの管理、複数のセグメントの駆動、および温度安定化が含まれます。^{[ 1 ]}

変調器のもう1つの重要な特性は、その光波面品質です。変調器がビームに収差を引き起こすと、戻ってきた光信号が減衰し、リンクを閉じるのに十分な光が得られない可能性があります。^{[ 1 ]}