ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
SURFACE ACOUSTIC WAVE BASED PHOTOSENSITIVE FILTER

Изобретение относится к области акустооптики и акустоэлектроники и может быть использовано в системах оптической связи.
Известен фоточувствительный резонансный фильтр на поверхностных акустических волнах, содержащий полупроводниковую пьезоэлектрическую подложку с расположенным на ней акустическим каналом и входным преобразователем [1].
Недостатком этого устройства является повышенный уровень акустических потерь.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фоточувствительный фильтр на поверхностных акустических волнах, представленный в [2], принятый за прототип.
На фиг.1 показан общий вид фильтра со стороны рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки, где обозначено:
1 - подложка из высокоомного пьезополупроводника;
3 - входной преобразователь;
4 - выходной встречно-штыревой преобразователь;
6 - участок металлизированной поверхности;
5 - источник постоянного напряжения.
Устройство-прототип содержит подложку в виде пластины из высокоомного пьезополупроводника (например, арсенида галлия) 1, на рабочей поверхности которой расположены входной преобразователь 3 в виде электрода гребенчатой формы, выходной встречно-штыревой преобразователь 4, участок металлизированной поверхности 6, нанесенный на нерабочую сторону пластины 1 напротив входного преобразователя 3, источник постоянного напряжения 5, отрицательный полюс которого соединен с входным преобразователем 3, а положительный полюс соединен с участком металлизированной поверхности 6.
Фоточувствительный фильтр-прототип работает следующим образом.
Импульсное оптическое излучение из области спектра внутреннего фотоэффекта пьезополупроводника, попадая на входной преобразователь 3 с рабочей стороны полупроводниковой пластины 1, вызывает генерацию неравновесных электронно-дырочных пар на участках пластины 1, свободных от металлизации. Постоянное напряжение от источника 5 создает электрическое поле между входным преобразователем 3 и участком металлизированной поверхности 6, направленное перпендикулярно плоскости пластины. Электронно-дырочные пары, образующиеся вблизи штырей гребенчатого электрода входного преобразователя 3, начинают дрейфовать в поперечном электрическом поле. При этом электроны будут двигаться в направлении положительно заряженного участка металлизированной поверхности 6, а дырки - в направлении отрицательно заряженного входного преобразователя 3 с образованием областей объемного заряда вблизи электродов. В результате такого разделения неравновесных зарядов вблизи штырей гребенчатого электрода входного преобразователя 3 будет возникать пульсирующее с частотой световых импульсов электрическое поле между областью положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных электронов, направленное под некоторым углом к плоскости пластины. Это пульсирующее поле, имеющее составляющую в направлении плоскости пластины, при попадании частоты следования световых импульсов в полосу пропускания фильтра будет возбуждать поверхностную акустическую волну, которая, распространяясь по акустическому каналу, будет преобразовываться в электрический сигнал с помощью выходного встречно-штыревого преобразователя 4.
Недостатком этого устройства является низкая добротность, обусловленная рассеянием энергии поверхностной акустической волны (ПАВ) в акустическом канале, вследствие акустоэлектронного релаксационного взаимодействия ПАВ со свободными носителями заряда, генерируемыми импульсным оптическим облучением в приповерхностной области акустического канала.
Задачей предлагаемого устройства является создание фоточувствительного фильтра на ПАВ, обладающего сниженным уровнем акустических потерь в подложке при оптическом облучении и повышенной добротностью.
Для решения поставленной задачи в фоточувствительном фильтре на поверхностных акустических волнах, содержащем монокристаллическую пластину высокоомного пьезополупроводника с расположенным на ней акустическим каналом, образованным входным и выходным преобразователями, согласно изобретению на рабочую поверхность пластины нанесено непрозрачное для оптического излучения диэлектрическое покрытие с окнами, прозрачными для оптического излучения, прямоугольной формы, расположенными в акустическом канале, причем одни из них вместе с участками облучаемой пластины образуют штыри входного преобразователя, а другие служат технологическими окнами для нанесения пленочных гребенчатых электродов выходного преобразователя, при этом шаг окон входного преобразователя равен шагу штырей гребенчатых электродов выходного преобразователя.
На фиг.2 показан общий вид предлагаемого фильтра со стороны рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки, где обозначено:
1 - монокристаллическая пластина высокоомного пьезополупроводника;
2 - непрозрачное для оптического излучения диэлектрическое покрытие;
3 - входной преобразователь;
4 - выходной преобразователь.
Предлагаемый фоточувствительный фильтр на поверхностных акустических волнах содержит пластину из высокоомного пьезополупроводника 1 (например, арсенида галлия), на поверхности которой размещено непрозрачное для оптического излучения диэлектрическое покрытие 2 с окнами прямоугольной формы, прозрачными для оптического излучения, расположенными в акустическом канале, причем одни из них вместе с участками облучаемой пластины 1 образуют штыри входного преобразователя 3, а другие служат технологическими окнами для нанесения пленочных гребенчатых электродов выходного встречно-штыревого преобразователя 4. Шаг окон входного преобразователя 3 равен шагу штырей гребенчатых электродов выходного преобразователя 4.
Фоточувствительный фильтр работает следующим образом.
Импульсное оптическое излучение из области спектра внутреннего фотоэффекта полупроводниковой подложки, попадая на участки рабочей поверхности пластины 1 через прозрачные окна в диэлектрическом покрытии 2 входного преобразователя 3, индуцирует фото-эдс в приповерхностной области пластины.
Окна (штыри) входного преобразователя 3 являются локальными источниками импульсной фото-эдс в приповерхностной области полупроводниковой пластины 1. Эта фото-эдс будет порождать посредством обратного пьезоэлектрического эффекта периодическую во времени и пространстве деформацию, одна из составляющих которой будет направлена вдоль акустического канала пластины 1. При совпадении частоты следования световых импульсов со временем прохождения акустической волны между соседними окнами прозрачности импульсное оптическое облучение будет приводить к возбуждению ПАВ в области входного преобразователя 3. Распространяясь по акустическому каналу, ПАВ будет преобразовываться в электрический сигнал с помощью выходного встречно-штыревого преобразователя 4, шаг которого совпадает с шагом окон входного преобразователя 3.
В прототипе возбуждаемая во входном преобразователе ПАВ при прохождении по акустическому каналу частично ослабляется за счет экранирования пьезоэлектрической волны, сопровождающей ПАВ, свободными носителями заряда, генерируемыми световыми импульсами в приповерхностной области акустического канала. Помимо этого релаксационное взаимодействие неравновесных носителей заряда с пьезоэлектрической волной будет дополнительно рассеивать энергию ПАВ. Таким образом, плоская световая волна, модулируя ПАВ в акустическом канале, ухудшает характеристики фильтра, в частности его добротность.
В предлагаемом устройстве нанесенное на поверхность пластины непрозрачное для оптического излучения диэлектрическое покрытие 2 устраняет описанный выше эффект ослабления ПАВ при импульсном оптическом облучении пластины, связанный с экранированием пьезоэлектрической волны и релаксационными потерями в акустическом канале. Это обеспечивает снижение акустических потерь в заявляемом фоточувствительном фильтре и повышение его добротности по сравнению с прототипом. Кроме того, в прототипе входной преобразователь имеет вид гребенчатого электрода, у которого штыри, участвующие в возбуждении ПАВ, электрически соединены между собой. В области перемычки наблюдается дополнительное ослабление возбуждаемой ПАВ. В заявляемом устройстве в качестве штырей входного преобразователя 3 используются окна прозрачности, не имеющие непосредственной электрической связи друг с другом, что дополнительно способствует снижению затухания ПАВ в области входного преобразователя 3.
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 №87307, Н03Н 7/00.
2. Патент РФ на полезную модель (прототип) RU №77735, Н03Н 7/00.
3. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. - М.: Наука, 1990 г., 685 с.
4. Митрохин В.И. Эффект оптического индуцирования механических колебаний в монокристаллах арсенида галлия. / В.И.Митрохин, С.И.Рембеза, А.А.Руденко. // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т.32, - Вып.11. - С.32-36.