Фотоприемник

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к устройствам для преобразования импульсного оптического излучения в импульсный электрический сигнал соответствующей длительности и формы, и может быть использовано для регистрации формы импульса оптического излучения и измерения его мощности, а также для получения одиночных или серии ультракоротких электрических импульсов. Фотоприемник состоит из подложки, нанографитной пленки, выполненной из нанокристаллитов графита, базовые плоскости которых наклонены к поверхности подложки и преимущественно однонаправлены, и двух параллельных электродов, имеющих с ней электрический контакт. Электроды могут быть расположены параллельно преимущественному направлению ребер двугранных углов, образованных плоскостью подложки и базовыми плоскостями кристаллитов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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.

1. Фотоприемник, состоящий из подложки, нанографитной пленки, представляющей собой кристаллиты графита, и двух параллельных электродов, расположенных на пленке по разные ее стороны и имеющих с ней электрический контакт, отличающийся тем, что базовые плоскости кристаллов графита нанографитной пленки наклонены к поверхности подложки и преимущественно однонаправлены по направлению плоскости подложки.

2. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что электроды расположены параллельно преимущественному направлению ребер двугранных углов, образованных плоскостью подложки и базовыми плоскостями кристаллитов.