Квантовый дискриминатор

 

КВАНТОВЫЙ ДИСКРИЩНАТОР на парах рубидия, включающий источник излучения, ячейку-фильтр и ячейку поглощения, расположенную в резонаторе , термостат и фотодетектор, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты при одновременном уменьшении габаритов , фотодетектор выполнен селективным на основе многослойного широкозонного полупроводника с электродами, ;причем один из электродов выполнен в виде решетки с шириной элемента, по крайней мере, на порядок меньшей; рабочей длины волны-резонатора и электрически соединен с внутренней стенкой резонатора со стороны выхода ;излучения..

(19) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (51)5 Н 01 S 1/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BT0PCH0IVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbITHSIM

IlPH. ГКНТ СССР

1 (21) 3240857/18-25 (22) 03. 02. 81 (46) 15.08. 90, Бюл. Ф 30

° (72) В.Н.Алфеев, Т.В. Большакова, Е.I(). Пашенков, .Е .П. Кокин, И.В.Сурин, 1(,Г. Вишни и В.Н. Ионов (53) 621.375,8(088.8) (56) Пихтелев А.И. и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. И.:

Сов.радио, 1978, с. 100.

Патент CIA )) - 3243721, кл. 331-3, опублик. 1966. (54)(57) КВАНТОВЬУ РЯСКРИ1)ИНАТОР на парах рубидия, включающий источник

Изобретение относится к квантовой радиофизике и может быть использовано в квантовых стандартах часто гы и времени.

Известен дискриминатор на парах рубидия, содержащий источник оптической накачки, ячейку-фильтр сверхтонной составляющей спектра для создания неравновесного состояния атомов. За .ячейкой-фильтром располагается ячейка поглощения, находящаяся в СВЧ-резонаторе,. в котором создаются условия для взаимодействия поля резонатора и атомов, находящихся в неравновесном состоянии.,Палее расположено устройство, регистрирующее изменение усло.вий поглощения в ячейке поглощенияфотодетектор. Такая конструкция обладает тем недостатком, что стабильность частоты и вместе с ним параметр ка2 излучения, ячейку-фильтр и ячейку поглощения, расположенную в резонато)) ре, термостат и фотодетектор, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты при одновременном уменьшении габаритов, фотодетектор выполнен селективным на основе многослойного широкозон. ного полупроводника с электродами,,причем один из электродов выполнен в виде. решетки с шириной элемента, по крайней мере, на порядок меньшей, .рабочей длины волны резонатора и электрически соепинен с внутренней стенкой резонатора со стороны выхода ! .! излучения. чества дискриминатора существенно зависит от условий накачки-температуры

,лампц, ячейки-фильтра, ячейки поглощения, фотоприемника, а также имеет большие габариты и массу, Уменьшение габаритов приводит к существенному снижению параметра качества пискриминатора, особенно при совмещении ячейки-фильтра и ячейки поглощения..

Наиболее близким к предлагаемому является квантовый дискриминатор на . парах рубидия, включающий источник

: излучения, ячейку-фильтр и ячейку поглощения, расположенную в резонаторе, термостат и фотодетектор.

Устройство сорержит источник на парах Р . термостатированный при температуре Т,, ячейку-фильтр .с парами

Rb I), термостатированную при температуре Т, ячейку поглощения с.парами

1025306

ГЬ, термостатированную при температуре Т> и помещенную в СВЧ-резонатор.

Недостатком известной конструкции является невысокая стабильность часто ты, обусловленная засветкой Фотодетектора фоновым излучением атомов Rb и буферных газов, которое может составлять до 99,99Х интенсивности светово-, го излученйя лампы накачки и Фильтру- 10 емого ячейкой-фильтром, Это также препятствует дальнейшей микроминиатюризации дискриминатора, снижает параметр качества и спектральные характеристики стандарта в целом. 15

Целью изобретения является повышение стабильности частоты при".одновременном уменьшении габаритов устройства

Это достигается тем, что в квантовом дискриминаторе на парах рубидия, 0 содержащем источник излучения, ячейкуфильтр и ячейку поглощения, расположенную в резонаторе, термостат и фотодетектор, Фотодетектор выполнен селективным на основе многослойного широко-25 зонного полупроводника,с электродами, причем один из электродов выполнен в виде решетки с шириной элемента, по крайней мере, на порядок меньшей рабочей длины волны резонатора и электрически соединен с внутренней стенкой резонатора со стороны выхода оптического излучения. Ячейка-Фильтр может быть совмещена с ячейкой поглощения и содержать смесь изотопов

Rb> и Rb . С целью расширения эксплуатационного температурного диапазона температура дискриминатора в целом или отдельных его элементов может быть повышена до 80-135 Г.. Фотодетектор выбран с.максимумом фоточувсеви" тельности при рабочей температуре ячейки поглощения на длине волны 780795 нм и полушириной спектральной характеристики не более 40 нм.

На Фиг. 1 показана конструкция квантового дискриминатора; на фиг.2— спектральная характеристика системы оптической индикации дискриминатора; на фиг. 3 - примеры конкретного выполнения фотодиода в резонаторе. .50

7 искриминатор содержит лампу оптической накачки 1, за ней располагается ячейка-фильтр сверхтонкой составляющей спектра 2, ячейка поглощения 3, Фотодетектор 4, термостат 5 и резона- 55 тор 6, на стенке. которого расположен селективный фотодетектор. Ячейкафильтр и ячейка поглощения помещены в магнитное поле для полу ения сверхтонкой структуры спектра и в термостат, стабилизирующий температуру частей дискриминатора.

Спектральная характеристика систеI мы оптической индикации дискриминатора включает линию перехода 5 $ с

«+ 5 Pgyzg7 (794 7. нм). линйю перехода 5 $, 5 Рg ð 8 (Л 780,0 нм), линию AQHQBQH засветки (обычно Ar, РЬ >< РЬ ) 9, спектральную характеристику селективного Фотодиода 10„

Я - ллину волны излучения, нм; $/S +относительную чувствительность фотодетектора; g4 — ширину спектральной характеристики.

На задней стенке резонатора помещен фотодетектор 4, который может быть, в частности, фотодиодом на основе твердого раствора в системе

ГаАз-А1Аз и отделен от резонатора диэлектриком 11. Нижний электрод Фотодиода 12 имеет вывод к регистрирующей системе и включается в нее в Фотодиодном или Фоторезистивном режиме. Сам фотодиод сформирован, например, на подложке из ГаАз и-типа проводимости

13, на которой расположен t-й слой твердого раствора ri-типа, проводимости 14 состава Га .„A3 As на котором — второй слой твердого состава

Га „ И„Аз р-типа проводимости 15, прйчем х-у для формирования спектральной характеристики заданной Формы.

Дпя эффективного разделения генерированных светом носителей металлургическая граница (р-n)-перехода должна отстоять от границы гетероперехода не более, чем на диффузионную длину неосновных. носителей заряда.

Дпя формирования узкой спектральной характеристики толщина верхнего слоя должна быть не меньше характеристической глубины проникновения излучения с длиной волны, соответствующей максимуму фоточувствительности минус Д, в материал верхнего слоя. Верхний. электрод фотодиода 16 выполнен в виде решетки с шириной элемента не менее, чем на порядок, меньший рабочей длины волны резонатора, электрически соединен с ним и выполняет Функцию его задней стенки. Ячейка поглощения может быть совмещена с ячейкой-Фильтром и заполнена смесью изотопов КЬ и Rb .

Работа квантового дискриминатора основана на двойном радиооптическом

25306 6 зонатор и совмещения ячейки-фильтра и ячейки поглощения. Термостатирова ние фотодетектора в данном случае не5 обходимо для стабилизации его спектральной характеристики, .температурный укор которой из-за малой ее ширины существенно влияет на параметры дис- . криминатора. Использование для Фотодетектора широкозонного полупроводникового материала, например ГаА1Аз, позволяет расширить его температурный о диапазон до 120-150 С, повысить температуру элементов дискриминатора или о всего устройства в целом,на 10-80 С выше общепринятой (до 135 С) и применять один термостат на ячейку поглощения и фотоприемник, или на ячейку-фильтр, ячейку поглощения и фото20 приемник, или на весь дискриминатор .в целом или на дискриминатор и кварцевый генератор, подстраиваемый по квантовому дискриминатору.

I l

5 10 резонансном поглощении света с плиной волныЛр,= 794, 7 нм (5 8 52Р ут) переходов с m < .О, слабо зависящих от магнитного поля. Для получения неравновесного состояния атомов ВЪ .„ используется накачка от лампы с пара-. ми КЬ (иногда их смесь с Rbgg),,фильтр с парами КЬ -. Состав слоев, твердого раствора ГаА1Аз (х и у) выбирается с таким расчетом, чтобы свет с длиной волны Л 4 Д

4Л

0 ностью поглощался в верхнем слое на расстоянии, большем риффузионной длины электронов от р-и-перехода (Л вЂ” длина волны максимальной чувствительности 780 нм 4 Я© <795 нм), а свет с длиной волны Л уЛ + — проходил

Ф е через (р-n)-переход и поглощался на расстоянии, большем диффузионной длины дырок от перехода. Таким образом вклад в фототок будут вносить носители генерированные светом с длиной волны — 4 Я «< Л + - . Как покаэаДЛ дЛ

0 2 о ли исследования, наиболее эффективная фильтрация происходит при дЯ<40 нм.

Использование селективного фотодетектора на основе широкозонного полупроводника позволяет существенно повысить стабильность частоты, параметр качества дискриминатора и уменьшить габариты устройства за счет введения

Фотодетектора непосредственно в ре,25 Использование для оптической инди-. кации приемника с узкой спектральной характеристикой позволяет повысить эффективность индикации поглощения полезной составляющей светового потока от источника излучения без уменьшения чувствительности, повысить стабильность частоты, параметр качества дискриминатора за счет увеличения отношения сигнал-шум, уменьшить рабочий объем дискриминатора, увеличить рабочую,температуру элементов дискриминат тора. иСЛРгРУ Рй

СИДР)МР

1025306

16

Ф

О

12

Креасврирующей

eucmewe

4?игЗ

Редактор С. Титова

КоРРектоР Э. Лончакова

Техред Л. Олийнык

Заказ 3084 Тираж 384 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СЧСР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101