Модулятор электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона для систем высокоскоростной беспроводной связи



Модулятор электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона для систем высокоскоростной беспроводной связи
Модулятор электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона для систем высокоскоростной беспроводной связи
Модулятор электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона для систем высокоскоростной беспроводной связи
H01L27/14 - содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, коротковолновому электромагнитному или корпускулярному излучению, и предназначенные для преобразования энергии этих излучений в электрическую энергию или для управления электрической энергией с помощью таких излучений (компоненты, чувствительные к излучению, конструктивно связанные только с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 31/14; соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42)

Владельцы патента RU 2626220:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к оптоэлектронике, а именно к модуляторам электромагнитного излучения, в частности, работающим в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах частот (100-10000 ГГц). Изобретение может использоваться в областях науки и техники, использующих данные диапазоны частот, в частности, при создании систем высокоскоростной беспроводной связи. Сущностью изобретения является устройство для амплитудной модуляции с частотами до 1 ТГц, работа которого основана на изменении коэффициента пропускания схемы на основе копланарного волновода, сформированной на подложке из полупроводникового материала. Коэффициент пропускания схемы изменяется вследствие изменения концентрации неравновесных носителей тока в полупроводниковом материале под действием импульсов управляющего источника оптического излучения видимого или ИК-диапазона. Технический результат заключается в увеличении частоты модуляции, а также уменьшении требуемой рабочей мощности управляющего источника оптического излучения. 3 ил.

 

Изобретение относится к оптоэлектронике, а именно к модуляторам электромагнитного излучения, в частности, работающим в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах частот (100-10000 ГГц). Сущностью изобретения является устройство для амплитудной модуляции с частотами до 1 ТГц, работа которого основана на изменении коэффициента пропускания модулируемого сигнала через схему на основе копланарного волновода, сформированную на подложке из полупроводникового материала, и содержащую полосно пропускающий фильтр на основе полуволнового копланарного резонатора. Устройство для осуществления модуляции содержит также, помимо линии передачи модулируемого сигнала, средство внешнего воздействия на полупроводниковый материал - управляющий источник оптического излучения видимого или ИК-диапазона вместе с оптоволоконной линией для доставки излучения к линии передачи. Коэффициент пропускания схемы изменяется вследствие изменения концентрации неравновесных носителей тока в полупроводниковом материале под действием импульсов управляющего источника оптического излучения. Полупроводниковый материал характеризуется ультракоротким временем жизни (от нескольких десятков пикосекунд до долей пикосекунды) фотовозбужденных носителей заряда, что может обеспечивать частоты модуляции до сотен ГГц. Изобретение может использоваться в разнообразных областях науки и техники, использующих субтерагерцовый и терагерцовый диапазоны частот электромагнитного излучения, в частности, при создании систем высокоскоростной беспроводной связи.

Известен способ модуляции электромагнитного излучения, основанный на поглощении электромагнитного излучения свободными носителями заряда в твердом теле, концентрацией которых управляют, например, при помощи инжекции носителей заряда через p-n-переход или световым импульсным возбуждением [«Способ модуляции электромагнитного излучения», Авторское свидетельство №329499, опубл. 09.02.1972]. Также известен способ модуляции электромагнитного излучения, основанный на изменении подвижности носителей заряда вследствие изменения их температуры, и модулятор на его основе, содержащий пластину из полупроводникового материала: арсенида галлия или антимонида индия [«Способ модуляции электромагнитного излучения и модулятор электромагнитного излучения», Патент №2050034, опубл. 10.12.1995].

Недостатком известных способов и модуляторов является ограничение частоты модуляции инерционностью процесса возбуждения носителей тока за счет инжекции через p-n-переход либо процесса изменения подвижности вследствие изменения температуры, ввиду того, что данные процессы протекают с характерными временами не менее 1 нс. Это приводит к тому, что частота модуляции не может превышать величину порядка 10 ГГц.

В случае оптического возбуждения носителей заряда в полупроводнике, инерционность процесса их возбуждения и релаксации может характеризоваться временами от нескольких десятков пикосекунд до долей пикосекунды в таких материалах, как арсенид галлия и арсенид галлия-индия, выращенных при низких температурах (LT-GaAs и LT-InGaAs соответственно, где LT означает рост материала при низкой температуре). Однако для создания существенных концентраций неравновесных носителей заряда (более 1016 см-3) в полупроводниках с временем жизни носителей порядка 1 пс требуется воздействие оптической плотности мощности порядка 1 мВт/мкм2. Известные способы модуляции и устройства на их основе предполагают использование в качестве модулирующего элемента пластины из полупроводникового материала, через которую пропускается модулируемое электромагнитное излучение. В такой схеме, характерные минимальные размеры пластины должны соответствовать длине волны электромагнитного излучения. Таким образом, для длины волны 3 мм, соответствующей частоте 100 ГГц, требуемая для работы модулятора оптическая мощность составляет не менее нескольких Ватт, что накладывает существенные ограничения на возможность реализации устройства.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении частоты модуляции субтерагерцового и терагерцового излучения, а также уменьшении требуемой рабочей мощности управляющего источника оптического излучения видимого или ИК-диапазона.

В предлагаемом устройстве для модуляции электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона, помимо полупроводникового материала с ультракоротким временем жизни фотоиндуцированных носителей заряда, используется также полосно-пропускающий фильтр на основе полуволнового копланарного резонатора, образованного при помощи двух щелевых разрывов в центральном проводнике копланарной линии. При этом щелевые разрывы не только обеспечивают емкостную связь резонатора с подводящими линиями передач, но и служат областью концентрации энергии модулируемой волны. Это позволяет значительно уменьшить необходимую для оптической засветки площадь, и тем самым снизить требуемый уровень рабочей мощности для источника оптического излучения.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На Фиг. 1 показаны вид сверху и разрез структуры в центральной части устройства для оптической модуляции. Цифрами обозначены: 1 - боковые электроды симметричной копланарной линии передач с волновым сопротивлением Z0=50 Ом, 2 - центральный электрод полуволнового резонатора, играющего роль полосно-пропускающего фильтра, 3 - область слоя LT-InGaAs или LT-GaAs с фотоиндуцированной проводимостью, 4 - слой LT-InGaAs или LT-GaAs с характерной толщиной 0.1-0.5 мкм, выращенный на пластине 5 из арсенида галлия. Материал LT-InGaAs или LT-GaAs характеризуется ультракороткими временами жизни фотоиндуцированных носителей заряда, составляющими величины от нескольких десятков пикосекунд до долей пикосекунды. Резонатор образуется созданием двух разрывов (щелей) в центральной полосковой линии, шириной 8 мкм. При этом ширина центральной полоски между разрывами уменьшена с 24 мкм до 10 мкм. Это увеличивает сопротивление линии Z0 до 100 Ом и, следовательно, добротность резонатора. На Фиг. 2 показана эквивалентная электродинамическая схема линии передач и резонатора. Резонатор связан с подводящей линией емкостью щелевого разрыва величиной Cgap.

Устройство работает следующим образом. Модулируемое субтерагерцовое излучение частотой около 108 ГГц заводится с помощью известных схемотехнических решений на вход линии передач. Модуляция степени пропускания линии передач достигается за счет фотовозбуждения носителей заряда в области одного из разрывов в результате облучения импульсами управляющего источника оптического излучения, передаваемыми в область разрыва с помощью оптоволокна. Из-за появления неравновесных фотоиндуцированных носителей поверхностное сопротивление слоя материала LT-InGaAs или LT-GaAs в освещаемом пятне уменьшается, что эквивалентно шунтированию емкости щелевого разрыва Cgap некоторым сопротивлением величиной R через емкости величиной Csh между металлом, из которого образована линия передач и резонатор, и полупроводником с индуцированной фотопроводимостью. Промодулированное субтерагерцовое излучение выводится из устройства через выход линии передач.

На Фиг. 3 приведены результаты численного моделирования пропускания предложенной копланарной линии передач в частотном диапазоне 104-111 ГГц методом конечных разностей во временной области. Для определенности, расчет производился для пятна засветки диаметром 30 мкм. Представлены кривые параметра передачи линии S21 для двух значений величины фотосопротивления на квадрат Rкв, а именно 10 МОм (типичная «темновая» проводимость) и 1 МОм. Длина полуволнового резонатора (расстояние между щелевыми разрывами) составляет 500 мкм. Ширина боковых электродов копланарной линии равна 280 мкм, расстояние между центральным и боковым электродом составляет 6 мкм. Для времени жизни фотовозбужденных носителей порядка 10 пс, величина фотосопротивления 1 МОм для слоя LT-InGaAs характерной толщиной 0.5 мкм достигается при оптической плотности мощности порядка 1 мкВт/мкм2, что для пятна диаметром 30 мкм соответствует полной мощности излучения порядка 1 мВт. Данная оптическая мощность является рутинно-достигаемой в уже существующих лазерных системах для оптоволоконной коммуникации. На Фиг. 3 видно, что на частоте около 108 ГГц, глубина модуляции пропускания линии передачи при изменении фотосопротивления материала полупроводника от 10 МОм до 1 МОм достигает 18 дБ. Такая степень модуляции является достаточной для использования в практических применениях, в частности, для построения узла передачи телекоммуникационного устройства для несущей частоты 108 ГГц.

Модулятор электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазона, основанный на использовании пластины из полупроводникового материала в условиях фотовозбуждения носителей заряда, отличающийся тем, что на поверхности пластины выращен слой полупроводникового материала с ультракоротким временем жизни фотовозбужденных носителей, а также тем, что на поверхности пластины сформирован копланарный резонатор для пространственной концентрации электромагнитного поля модулируемого излучения и для повышения глубины модуляции.



 

Похожие патенты:

Изобретения могут быть использованы для формирователя сигналов изображения в инфракрасной области спектра. Гетероструктурный диод с p-n-переходом содержит подложку на основе HgCdTe, главным образом n-легированную, причем упомянутая подложка содержит первую часть (4), имеющую первую концентрацию кадмия, вторую часть (11), имеющую вторую концентрацию кадмия больше, чем первая концентрация кадмия, причем вторая часть(11) образует гетероструктуру с первой частью (4), р+-легированную зону (9) или р-легированную зону, расположенную в концентрированной части (11) и продолжающуюся в первую часть (4) и образующую p-n-переход (10) с n-легированным участком первой части (4), называемым базовой подложкой (1), при этом концентрированная часть (11) расположена только в р+-легированной зоне (9) и образует карман (12) по существу с постоянной концентрацией кадмия.

Изобретение относится к области микроэлектроники и касается пассивного беспроводного датчика ультрафиолетового излучения. Датчик включает в себя пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале находятся приемо-передающий однонаправленный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и два отражательных ВШП.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре и может быть использовано, например, в устройствах, измеряющих характеристики сред, содержащих газообразные углеводороды, и в волоконно-оптических датчиках, измеряющих состав жидкости по методу исчезающей волны, для которых указанная полоса совпадает с максимумом фундаментального поглощения измеряемого компонента, например спирта или нефтепродуктов.

Напряжение обратного смещения прикладывают к матрице фотодиодов, снабженной множеством лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, соединенных последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами.

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники, конкретно к фотоприемным устройствам ИК-диапазона длин волн и к технологии их изготовления.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодетекторам с внутренним усилением сигнала, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц.

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, конкретно - к приемникам инфракрасного (ИК) излучения, и может найти применение в спектрометрах, в системах обнаружения, слежения, охранных и противопожарных системах и связи.

Группа изобретений относится к нанооптоэлектронике. В фоточувствительной структуре, представляющей собой чувствительную к терагерцовому излучению при температуре эффективного фототока многослойную полупроводниковую гетероструктуру с квантовой ямой, выполненной в виде слоя узкозонного твердого раствора, содержащего Hg и Te и заключенного между барьерными слоями широкозонного трехкомпонентного твердого раствора CdyHg1-yTe, где у составляет величину в предпочтительном интервале от 65% до 72%, узкозонный слой квантовой ямы сформирован из трехкомпонентного твердого раствора Hg1-xCdxTe с содержанием Cd, определяемым величиной x в интервале от 4% до 12%, причем ширина квантовой ямы выбрана для заданного терагерцового поддиапазона частот принимаемого излучения при температуре 4,2K или 77K в зависимости от содержания Cd в соответствии с таблицей 1, представленной в описании изобретения.

Изобретения могут быть использованы в устройствах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, оптической пеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля.

Изобретение относится к устройству для считывания изображения и способу его изготовления, видеокамере, фотогальваническому устройству. Заявленное устройство для считывания изображения содержит модуль считывания изображения, в котором множество пикселов, воспринимающих падающий свет, расположены на фотоприемной поверхности в считывающей области подложки, в котором пиксел включает группу приборов с термопарами, в которой несколько термопар ориентированы вдоль фотоприемной поверхности, в котором в этой группе приборов с термопарами несколько термопар расположены отдельно одна от другой, так что фотоприемная поверхность имеет решетчатую структуру, и в котором группа приборов с термопарами расположена так, что падающий свет, попадающий на решетчатую структуру, вызывает плазменный резонанс на фотоприемной поверхности.

Согласно изобретению предложена эффективная солнечная батарея, выполненная многопереходной с защитным диодом, причем у многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода имеется общая тыльная поверхность и разделенные меза-канавкой фронтальные стороны, общая тыльная поверхность включает в себя электропроводящий слой, многопереходная солнечная батарея включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей и имеет расположенную ближе всего к фронтальной стороне верхнюю солнечную батарею и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею, каждая солнечная батарея включает в себя np-переход, между соседними солнечными батареями размещены туннельные диоды, количество слоев полупроводника у структуры защитного диода меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи, последовательность слоев полупроводника у структуры защитного диода идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи, причем в структуре защитного диода выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод, а между соседними защитными диодами размещен туннельный диод, количество np-переходов в структуре защитного диода по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи, на передней стороне многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода выполнена структура соединительного контакта, содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта выполнен состоящий из нескольких слоев полупроводника электропроводящий контактный слой, и эти несколько слоев полупроводника включают в себя туннельный диод.

Изобретение относится к устройству захвата изображений, системе захвата изображений и способу управления для устройства захвата изображений. Технический результат заключается в уменьшении объема данных опорной пиксельной области, которые записываются, при одновременном подавлении снижения качества при обработке коррекции изображения.

Изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и к системе формирования изображений. Устройство фотоэлектрического преобразования согласно изобретению включает в себя пиксел, который включает в себя блок фотоэлектрического преобразования, транзистор сброса и усилительный транзистор, который выводит сигнал из блока фотоэлектрического преобразования.

Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости содержит два светочувствительных пиксельных слоя. Причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами.

В устройстве фотоэлектрического преобразования, содержащем множество блоков фотоэлектрического преобразования, каждый из которых имеет множество элементов фотоэлектрического преобразования, на которые падает свет, сконцентрированный посредством одной микролинзы, каждый из множества элементов фотоэлектрического преобразования включает в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости для сбора сигнального заряда, высота потенциального барьера относительно сигнального заряда, по меньшей мере, участка области между первыми полупроводниковыми областями элементов фотоэлектрического преобразования, размещенных рядом друг с другом и включенных в один блок фотоэлектрического преобразования, ниже, чем высота потенциального барьера, расположенного между первыми полупроводниковыми областями элементов фотоэлектрического преобразования, размещенных рядом друг с другом, и каждый из которых включен в разные блоки фотоэлектрического преобразования, размещенные рядом друг с другом, и каждая микролинза расположена с наложением на множество первых полупроводниковых областей, содержащихся в одном пикселе, относительно вида сверху блока фотоэлектрического преобразования и концентрирует свет на множестве первых полупроводниковых областей.

Устройство фотоэлектрического преобразования имеет светопринимающие элементы, расположенные на плоскости формирования изображения. Светопринимающий элемент включает в себя множество участков фотоэлектрического преобразования, выстроенных в первом направлении, параллельном плоскости формирования изображения, через изоляционный участок, и световодный участок, простирающийся по множеству участков фотоэлектрического преобразования.

Изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и системе регистрации изображения. Устройство фотоэлектрического преобразования включает в себя фотоэлектрический преобразователь, транзистор, на затвор которого подается напряжение, соответствующее зарядам, генерируемым фотоэлектрическим преобразователем, линию управления, подключенную к первому главному электроду транзистора, и блок считывания, выполненный с возможностью считывания сигнала, соответствующего напряжению затвора, и регулятор напряжения, выполненный с возможностью изменения напряжения линии управления.

Изобретение может быть использовано в медицине, кристаллографии, ядерной физике и т.д. Гибридный пиксельный фотоприемник согласно изобретению содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности пикселей расположены контактные электроды и она содержит вторую полупроводниковую подложку n-(p-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n+(p+) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки, при этом вторая подложка одного n-(p-) типа проводимости является общей - анодной (катодной) областью и она образует с полупроводниковыми контактными электродами p+(n+) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов.

Изобретение относится к твердотельному датчику изображения и системе восприятия изображения. Датчик содержит блок восприятия изображения, включающий в себя блоки пикселов, и блок считывания для считывания сигнала из блока восприятия изображения.

Твердотельное устройство формирования изображений согласно настоящему варианту осуществления включает в себя второй датчик изображений, имеющий органическую пленку фотоэлектрического преобразования, пропускающую конкретный свет, и первый датчик изображений, который уложен в слои на той же полупроводниковой подложке, что и подложка второго датчика изображений, и который принимает конкретный свет, пропущенный вторым датчиком изображений, в котором пиксель для обнаружения фокуса обеспечивается во втором датчике изображений или первом датчике изображений.

Изобретение относится к способу изготовления многоэлементных или матричных фотоприемников на основе антимонида индия. Многоэлементный фотоприемник на основе антимонида индия включает матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с антиотражающим покрытием на освещаемой стороне фоточувствительных элементов (ФЧЭ), соединенных микроконтактами со схемой считывания. Предлагаемый способ включает пассивацию освещаемой поверхности ФЧЭ перед формированием антиотражающего покрытия, заключающуюся в том, что перед напылением антиотражающего покрытия с поверхности МФЧЭ ионным травлением удаляется слой собственного окисла без разгерметизации вакуумной камеры, что позволяет уменьшить скорость поверхностной рекомбинации фотогенерированных носителей тока и тем повысить квантовую эффективность и устранить захват носителей медленными состояниями. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности, улучшение однородности параметров матричных фотоприемников в серийном производстве за счет повышения квантовой эффективности фоточувствительных элементов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронике, а именно к модуляторам электромагнитного излучения, в частности, работающим в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах частот. Изобретение может использоваться в областях науки и техники, использующих данные диапазоны частот, в частности, при создании систем высокоскоростной беспроводной связи. Сущностью изобретения является устройство для амплитудной модуляции с частотами до 1 ТГц, работа которого основана на изменении коэффициента пропускания схемы на основе копланарного волновода, сформированной на подложке из полупроводникового материала. Коэффициент пропускания схемы изменяется вследствие изменения концентрации неравновесных носителей тока в полупроводниковом материале под действием импульсов управляющего источника оптического излучения видимого или ИК-диапазона. Технический результат заключается в увеличении частоты модуляции, а также уменьшении требуемой рабочей мощности управляющего источника оптического излучения. 3 ил.

Наверх