ФОТОПРИЕМНИК
PHOTODETECTOR

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к устройствам для преобразования импульсного оптического излучения в импульсный электрический сигнал соответствующей длительности и формы. Оно может быть использовано для регистрации формы импульса оптического излучения и измерения его мощности, а также для получения одиночных или серии ультракоротких электрических импульсов,
Известно устройство для преобразования импульса оптического излучения в электрический, состоящее из электрической схемы с лавинным фотодиодом, имеющим высокую чувствительность к свету с определенной длиной волны и обладающим внутренним усилением [И.Д.Анисимова, И.М.Викулин, Ф.А.Заитов, Ш.Д.Курмашев / Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с., ил.].
Однако лавинный фотодиод обладает инерционностью (~ 1 нс), т.е. он не обеспечивает генерации ультракоротких электрических импульсов при облучении его ультракороткими оптическими импульсами, а следовательно, с помощью этого устройства невозможно регистрировать оптические импульсы длительностью менее 1-2 нс. Кроме того, в нем могут возникать темновые токи, и он требует подачи электропитания.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптоэлектронное устройство для генерации ультракоротких электрических импульсов, регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения, состоящее из источника света, преобразователя света в электрический сигнал, выполненного в виде проводящей углеродной пленки, обладающей свойством оптического выпрямления, представляющей собой кристаллиты графита, базовые плоскости которых ориентированы перпендикулярно подложке, и двух параллельных электродов, расположенных на поверхности преобразователя света по разные стороны от области, освещаемой источником оптического излучения, и имеющих с ним электрический контакт [Патент №2273946 от 10.04.2006, Бюл. №10]. При этом основными структурными элементами такой пленки являются кристаллиты графита, состоящие из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев. Толщина кристаллитов находится в пределах от 2 до 20 нм, при размерах в других измерениях около 1-3 микрометров. Все кристаллиты имеют преимущественную ориентацию атомных слоев в направлении нормали к поверхности подложки.
Пучок импульсного оптического излучения попадает на преобразователь света. При этом угол падения пучка света на поверхность пленки α отличен от нуля. Импульсное оптическое излучение наводит статическую нелинейную поляризацию, определяемую квадрупольным вкладом квадратичной нелинейной восприимчивости углеродной пленки. В результате между электродами возникает разность потенциалов, изменение которой со временем по форме и длительности повторяет импульс оптического излучения при выполнении условия τ>>d·tgα/с, где τ - длительность импульса излучения источника света, d - диаметр пучка оптического излучения, с - скорость света.
Однако такое устройство не работает при нормальном падении света на поверхность углеродной пленки и требует для работоспособности обеспечение наклона поверхности преобразователя света относительно пучка лазера. Кроме этого длительность измеряемых импульсов с помощью такого оптоэлектронного устройства ограничена условием τ>>d·tgα/с.
Задача изобретения - получение простого, работающего при нормальном падении света на светоприемную часть, чувствительного в широком диапазоне длин волн света, фотоприемника для регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения.
Поставленная задача решается тем, что базовые плоскости кристаллов графита нанографитной пленки наклонены к поверхности подложки и преимущественно однонаправлены.
Предпочтительным является расположение электродов параллельно преимущественному направлению ребер двугранных углов, образованных плоскостью подложки и базовыми плоскостями кристаллитов.
Техническим результатом является упрощение и получение более чувствительного в широком диапазоне длин волн света, работающего при нормальном падении света устройства, предназначенного для регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения, а также для генерации ультракоротких электрических импульсов.
Фиг.1 показывает общий вид фотоприемника в профиль согласно изобретению. 1 - нанографитная пленка, состоящая из кристаллитов графита 2, наклоненных к поверхности подложки под углом φ (угол φ отсчитывается против часовой стрелки от поверхности подложки); 3 - подложка; 4, 5 - положительный и отрицательные электроды соответственно; α - угол падения луча на поверхность фотоприемника.
Фиг.2 показывает экспериментальную зависимость амплитуды оптоэлектрического сигнала U от угла падения α на поверхность нанографитной пленки импульсного лазерного излучения длительностью 20 нс при φ=90° (кривая 1), φ<90° (кривая 2) и φ>90° (кривая 2*).
Раскрытие изобретения
Фотоприемник состоит из проводящей нанографитной пленки 1, которая, в свою очередь, состоит из наноразмерных кристаллитов графита 2. Нанографитная пленка 1 нанесена на подложку 3, а два проводящих параллельных электрода 4 и 5 фотоприемника выполнены таким образом, что они имеют электрический контакт с поверхностью пленки (фиг.1). Причем электрод 4 соединен с положительным входом измеряющего устройства, а электрод 5 - с отрицательным входом. Подложка 3 изготавливается из материала, имеющего существенно более низкую электропроводность по сравнению с нанографитной пленкой. Электроды 4, 5 могут быть выполнены из любого хорошо проводящего материала, например, из меди. Нанографитная пленка образована кристаллитами графита 2, состоящих из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев. Толщина кристаллитов находится в пределах от 2 до 20 нм, при размерах в других измерениях около 1-3 микрометров. Атомные слои всех кристаллитов преимущественно наклонены под некоторым углом φ<90° к поверхности подложки и параллельны между собой.
Фотоприемник работает следующим образом. Пучок импульсного оптического излучения (см. фиг.1) попадает на нанографитную пленку 1 по данному изобретению, и импульсное оптическое излучение наводит импульсную разность потенциалов между электродами 4 и 5, расположенными на пленке. Нанографитная пленка может располагаться как под некоторым углом (угол α), так и нормально к падающему излучению. При нормальном расположении пленки относительно пучка лазера (α=0) величина и знак амплитуды электрического сигнала, снимаемого с электродов, зависит от величины φ.
На фиг.2 представлены зависимости амплитуды U оптоэлектрического сигнала от угла падения α при различном наклоне базовых плоскостей графитовых кристаллитов. Зависимость U от α, полученная при φ=90°, т.е. при перпендикулярной ориентации кристаллитов пленки к поверхности подложки (фиг.2, кривая 1), характеризуется тем, что при нормальном падении луча на пленку амплитуда сигнала равна нулю. Кривая 2 на фиг.2 иллюстрирует зависимость U от α, полученную при наклоне кристаллитов к поверхности подложки под углом φ≈70°. В этом случае при нормальном падении луча на поверхность фотоприемника сигнал отличен от нуля. При такой ориентации кристаллитов амплитуда сигнала принимает нулевое значение при α≈-20°. Кривая 2* на фиг.2 иллюстрирует зависимость U(α), полученную для случая φ≈110°, т.е. когда φ>90°. Для этой зависимости характерно то, что при нормальном падении луча на поверхность фотоприемника амплитуда сигнала отрицательна.
Таким образом, при нормальном падении луча лазера на поверхность фотоприемника (α=0) оптоэлектрический сигнал положителен, если кристаллиты графита преимущественно ориентированы к положительному электроду (φ<90°), если же кристаллиты графита преимущественно ориентированы к отрицательному электроду (φ>90°), то оптоэлектрический сигнал отрицателен. В противном случае, т.е. когда φ=90°, оптоэлектрический сигнал отсутствует.
Дополнительные экспериментальные исследования показали, что максимальная амплитуда оптоэлектрического сигнала для пленок с наклонными кристаллитами достигается, когда электроды расположены параллельно преимущественному направлению ребер двугранных углов, образованных плоскостью подложки и базовыми плоскостями кристаллитов.
Таким образом, выполнение фотоприемника с однонаправленными наклонными кристаллитами позволяет получить большую амплитуду оптоэлектрического сигнала одной полярности. Электроды при этом следует располагать параллельно преимущественному направлению ребер двугранных углов, образованных плоскостью подложки и базовыми плоскостями кристаллитов. Кроме того, такой фотоприемник может работать при нормальном падении излучения на нанографитную пленку, что упрощает конструкцию фотоприемника.