ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к областям акустооптики и акустоэлектроники и может быть использована в системах оптической связи и оптической локации.
Известен фильтр на поверхностных акустических волнах, содержащий пьезоэлектрическую подложку с расположенным на ней акустическим каналом, образованным входным и выходным преобразователями [1].
Недостатком этого устройства является невысокая избирательность.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фоточувствительный фильтр на поверхностных акустических волнах, представленный в [2], принятый за прототип.
Устройство-прототип содержит полупроводниковую пьезоэлектрическую подложку с расположенным на ней акустическим каналом и входной преобразователь, включающий электрод гребенчатой формы, который соединен с одним из полюсов источника постоянного напряжения.
Недостатком этого устройства является ограниченное быстродействие, обусловленное большим временем дрейфа электронов из области оптической генерации к электроду источника постоянного напряжения, а также невысокая избирательность.
Задачей предлагаемого устройства является повышение быстродействия устройства и избирательности по частоте модуляции света.
Для решения поставленной задачи в фоточувствительном резонансном фильтре на поверхностных акустических волнах, содержащем полупроводниковую пьезоэлектрическую подложку с расположенным на ней акустическим каналом и входной преобразователь, включающий первый электрод гребенчатой формы, который соединен с одним из полюсов источника постоянного напряжения, согласно полезной модели, во входной преобразователь дополнительно введен второй электрод гребенчатой формы, образующий с первым электродом встречно-штыревой преобразователь, и расположенный в центре акустического канала, по краям которого симметрично размещены два акустических отражателя, причем второй электрод гребенчатой формы подсоединен к другому полюсу источнику постоянного напряжения через резистор, выводы которого являются выходными клеммами фильтра.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого фильтра со стороны рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки, где обозначено:
1 - подложка из пьезоэлектрического полупроводника;
2, 3 - первый и второй электроды гребенчатой формы;
4, 5 - первый и второй акустические отражатели;
6 - источник постоянного напряжения;
7 - резистор.
Фоточувствительный резонансный фильтр на поверхностных акустических волнах содержит подложку из пьезоэлектрического полупроводника (например, монокристаллического арсенида галлия) 1, на облучаемой импульсным светом поверхности которой расположены входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП) в виде двух встречно включенных электродов гребенчатой формы 2, 3 и два акустических отражателя 4, 5, образующие акустический канал (резонаторную полость) пьезоэлектрического резонатора. Один из гребенчатых электродов (2 или 3) соединен с одним из полюсов источника постоянного напряжения 6, а другой - через резистор 7 с другим полюсом источника 6, при этом выводы резистора 7 подсоединены к выходным клеммам фильтра. Причем, ВШП выполняет функции входного (преобразует оптические импульсы в акустическую волну) и выходного (преобразует акустическую волну в электрический сигнал) преобразователей.
Фоточувствительный резонансный фильтр работает следующим образом.
Импульсное оптическое излучение из области спектра внутреннего фотоэффекта полупроводниковой подложки, попадая на межэлектродное пространство входного ВШП, состоящего из электродов 2 и 3, вызывает генерацию неравновесных электронов и дырок в вблизи поверхности подложки 1. Постоянное напряжение от источника 6 создает электрическое поле между электродами 2 и 3 входного преобразователя, направленное параллельно плоскости подложки. Неравновесные электроны и дырки, образующиеся в межэлектродном пространстве под действием импульсного оптического излучения, начинают дрейфовать в электрическом поле в противоположных направлениях к электродам 2 и 3, создавая пульсирующий ток фотопроводимости полупроводника, который регистрируется на резисторе 7. При попадании частоты следования световых импульсов в полосу пропускания резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ), образованного входным преобразователем на электродах 2 и 3 и акустическими отражателями 4, 5 его сопротивление резко уменьшится (при использовании последовательного резонанса), что приведет к резкому возрастанию переменного тока через резистор 7 а, следовательно, выходного сигнала. Селективные свойства фильтра по отношению к частоте световых импульсов будут определяться величиной добротности пьезоэлектрического резонатора.
В прототипе генерируемые светом электроны, исходя из принципа действия устройства, должны достигать противоположной от освещаемой поверхности подложки стороны, чтобы попасть на положительно заряженный электрод. Толщина подложки составляет величину несколько сотен микрометров. Исходя из этого, время пролета (дрейфа) неравновесных электронов (при не очень больших значениях напряженности электрического поля) будет основным фактором, ограничивающим быстродействие устройства.
В заявляемом устройстве расстояние между гребенчатыми электродами 2 и 3 на частотах сотен мегагерц обычно составляет величину от единиц и долей микрометра. При таком расстоянии время пролета электронов и дырок из области оптической генерации до электродов входного преобразователя уменьшается на два порядка по сравнению со временем пролета электронов через толщину подложки, как в прототипе. Примерно на столько же уменьшается время релаксации неравновесного объемного заряда, а, соответственно, граничная частота фоточувствительного фильтра.
По сравнению с прототипом заявляемый фоточувствительный резонансный фильтр характеризуется более высоким быстродействием и, соответственно, более высокой граничной частотой, определяемой временем релаксации неравновесной проводимости.
Как известно [3], резонаторы на ПАВ имеют, как правило, на порядок более высокую добротность, чем фильтры на ПАВ без использования резонансного эффекта, поэтому заявляемый фоточувствительный резонансный фильтр имеет большую избирательность по частоте модуляции света по сравнению с прототипом.
Таким образом, предлагаемый фоточувствительный резонансный фильтр, совмещая в себе функции фотоприемника и резонатора на поверхностных акустических волнах, обладает более высоким быстродействием и селективностью по отношению к частоте световых импульсов. Тем самым достигается технический результат - повышение быстродействия устройства и избирательности по частоте модуляции света.
Предлагаемый фоточувствительный фильтр на поверхностных акустических волнах может быть использован в открытых и закрытых системах оптической связи и в системах оптической локации в качестве избирательного фотоприемника.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель RU №40553, Н03Н 7/00
2. Патент РФ на полезную модель (прототип) RU №77735, Н03Н 7/00
3. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах / Под. ред. И.С.Реза - М.: «Мир». -1990. - 586 с.