close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12232

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 12232
(13) C1
(19)
G 01J 5/02
ИНФРАКРАСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
(21) Номер заявки: a 20080278
(22) 2008.03.11
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси " (BY)
(72) Авторы: Есман Александр Константинович; Кулешов Владимир
Константинович; Зыков Григорий
Люцианович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси " (BY)
(56) BY 10227 C1, 2008.
RU 2148802 C1, 2000.
US 5962854 A, 1999.
JP 2005043381 A, 2005.
JP 2000304603 A, 2000.
BY 12232 C1 2009.08.30
(57)
1. Инфракрасный преобразователь, содержащий источник света, фотоприемник, расположенные на первой диэлектрической подложке, по всей ширине которой выполнено
углубление, в котором сформирована теплоизолирующая опора, на которой закреплена в
виде консоли вторая диэлектрическая подложка, верхняя поверхность которой лежит в
одной плоскости с верхней поверхностью первой диэлектрической подложки, на второй
диэлектрической подложке размещены первый кольцевой микрорезонатор, оптически связанный через входной волновод с источником света, и выходной волновод, оптически связанный с фотоприемником; на поверхность первого кольцевого микрорезонатора нанесен
первый буферный слой, на котором расположена первая пленка, поглощающая инфракрасное излучение, а на первой подложке на дне углубления сформирован теплоизолятор и
BY 12232 C1 2009.08.30
расположен концентратор инфракрасного излучения, оптически связанный с первой пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, причем вторая диэлектрическая подложка
выполнена из материала с коэффициентом преломления n > nв и толщиной h > 3λмакс, где
nв - показатель преломления входного и выходного волноводов и первого кольцевого микрорезонатора, λмакс - максимальная длина волны источника света, отличающийся тем, что
содержит второй кольцевой микрорезонатор, оптически связанный с первым кольцевым
микрорезонатором и выходным волноводом, при этом на поверхность второго кольцевого
микрорезонатора нанесен второй буферный слой, на котором расположена вторая пленка,
поглощающая инфракрасное излучение, оптически связанная с концентратором, а теплоизолятор и теплоизолирующая опора выполнены из пористого кремния.
2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что длина второго кольцевого микрорезонатора выбрана равной длине первого кольцевого микрорезонатора.
3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между первым и вторым кольцевыми микрорезонаторами выбрано равным 200 нанометров.
4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент оптической связи
между первым и вторым кольцевыми микрорезонаторами выбран равным 0,5.
5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между входным волноводом и первым кольцевым микрорезонатором выбрано равным 200 нанометров.
6. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между выходным волноводом и вторым кольцевым микрорезонатором выбрано равным 200 нанометров.
Изобретение относится к инфракрасной технике и может использоваться в системах
безопасности, не чувствительных к электромагнитным помехам, в устройствах контроля
процессов сварки и т.д.
Известен инфракрасный преобразователь [1], имеющий подложку и ее тонкую часть,
мембрану, ограничивающую внутреннюю полость, заполненную жидкостью с малой теплопроводностью, инфракрасный детектор, расположенный на верхней поверхности тонкой части подложки и состоящий из одной или множества термопар, горячие контакты
которых расположены на мембране и имеют тепловой контакт с пленкой, поглощающей
инфракрасное излучение, холодные контакты указанных термопар расположены на подложке, на которой также монтируется внутренняя полость инфракрасного преобразователя.
Описанный преобразователь не обладает достаточно высокой эффективностью преобразования инфракрасного излучения (ИКИ) в электрический сигнал, так как на множестве
термопар с их металлическими проводниками и в выходных металлических шинах могут
появляться электрические сигналы, наведенные внешними электромагнитными полями.
Рассмотренные элементы преобразователя, а также материалы, из которых они выполнены, являются причиной низкой чувствительности инфракрасного преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности является инфракрасный преобразователь
[2], содержащий первую и вторую диэлектрические подложки, пленку, поглощающую
инфракрасное излучение, источник света, фотоприемник, расположенные на первой подложке, по всей ширине которой выполнено углубление, в котором сформирована теплоизолирующая опора, на которой закреплена в виде консоли вторая подложка, верхняя
поверхность которой лежит в одной плоскости с верхней поверхностью первой подложки,
на второй подложке размещен кольцевой микрорезонатор, оптически связанный через
входной и выходной волноводы с источником света и фотоприемником соответственно,
на поверхность кольцевого микрорезонатора нанесен буферный слой, на котором расположена пленка, поглощающая инфракрасное излучение, а на первой подложке на дне углубления сформирован теплоизолятор и расположен концентратор инфракрасного излучения,
оптически связанный с пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, причем вторая
диэлектрическая подложка выполнена из материала с коэффициентом преломления n > nв
2
BY 12232 C1 2009.08.30
и толщиной h > 3λмакс, где nв - показатель преломления входного и выходного волноводов
и кольцевого микрорезонатора, λмакс - максимальная длина волны источника света.
Данное устройство не обладает достаточно высокой чувствительностью, так как один
кольцевой микрорезонатор, особенно малых размеров, имеет широкую полосу резонансного поглощения для считывающего излучения, которая определяет пороговую чувствительность инфракрасного преобразователя.
Техническая задача - увеличение чувствительности инфракрасного преобразователя.
Поставленная техническая задача решается тем, что инфракрасный преобразователь,
содержащий источник света, фотоприемник, расположенные на первой диэлектрической
подложке, по всей ширине которой выполнено углубление, в котором сформирована теплоизолирующая опора, на которой закреплена в виде консоли вторая диэлектрическая
подложка, верхняя поверхность которой лежит в одной плоскости с верхней поверхностью
первой диэлектрической подложки, на второй диэлектрической подложке размещены первый кольцевой микрорезонатор, оптически связанный через входной волновод с источником света, и выходной волновод, оптически связанный с фотоприемником, на поверхность
первого кольцевого микрорезонатора нанесен первый буферный слой, на котором расположена первая пленка, поглощающая инфракрасное излучение, а на первой подложке на
дне углубления сформирован теплоизолятор и расположен концентратор инфракрасного
излучения, оптически связанный с первой пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, причем вторая диэлектрическая подложка выполнена из материала с коэффициентом
преломления n > nв и толщиной h > 3λмакс, где nв - показатель преломления входного и выходного волноводов и первого кольцевого микрорезонатора, λмакс - максимальная длина
волны источника света, содержит второй кольцевой микрорезонатор, оптически связанный с первым кольцевым микрорезонатором и выходным волноводом, при этом на поверхность второго кольцевого микрорезонатора нанесен второй буферный слой, на
котором расположена вторая пленка, поглощающая инфракрасное излучение, оптически
связанная с концентратором, а теплоизолятор и теплоизолирующая опора выполнены из
пористого кремния.
Для эффективного решения поставленной технической задачи длина второго кольцевого микрорезонатора выбрана равной длине первого кольцевого микрорезонатора.
Для эффективного решения поставленной технической задачи расстояние между первым и вторым кольцевыми резонаторами выбрано равным 200 нанометров.
Для эффективного решения поставленной технической задачи коэффициент оптической связи (через спадающие поля) между первым и вторым кольцевыми резонаторами
выбран равным 0,5.
Для эффективного решения поставленной технической задачи расстояние между входным волноводом и первым кольцевым резонатором выбрано равным 200 нанометров.
Для эффективного решения поставленной технической задачи расстояние между выходным волноводом и вторым кольцевым резонатором выбрано равным 200 нанометров.
Совокупность указанных признаков позволяет в устройстве уменьшить более чем в
3 раза ширину резонансной полосы поглощения для считывающего излучения и таким образом уменьшить величину минимальной регистрируемой энергии инфракрасного излучения и, значит, повысить чувствительность предлагаемого преобразователя.
Сущность изобретения поясняется приведенной на фигуре структурной схемой, где
обозначены:
1 - первая диэлектрическая подложка;
2 - теплоизолирующая опора;
3 - вторая диэлектрическая подложка;
4 - источник света;
5 - входной волновод;
6 - первый кольцевой микрорезонатор;
3
BY 12232 C1 2009.08.30
7 - выходной волновод;
8 - фотоприемник;
9 - концентратор инфракрасного излучения;
10 - теплоизолятор;
11 - первый буферный слой;
12 - первая пленка, поглощающая инфракрасное излучение;
13 - второй кольцевой микрорезонатор;
14 - вторая пленка, поглощающая инфракрасное излучение;
15 - второй буферный слой.
В инфракрасном преобразователе на первой диэлектрической подложке 1 по всей ширине выполнено углубление, в котором сформирована теплоизолирующая опора 2 со второй диэлектрической подложкой 3, на которых размещены оптически последовательно
связанные источник света 4, входной волновод 5, первый кольцевой микрорезонатор 6,
второй кольцевой микрорезонатор 13, выходной волновод 7, фотоприемник 8. На первой
диэлектрической подложке в углублении сформирован теплоизолятор 10, на котором расположен концентратор инфракрасного излучения 9, оптически связанный с первой 12 и
второй 14 пленками, поглощающими инфракрасное излучение, которые соответственно
расположены на первом 11 и втором 15 буферных слоях, которые соответственно нанесены на первый 6 и второй 13 кольцевые микрорезонаторы.
В конкретном исполнении первая диэлектрическая подложка 1 - это пластина высокоомного кремния толщиной ~ 0,5 мм, на верхней стороне которой методами фотолитографии выполнены: вторая диэлектрическая подложка 3 - из окиси кремния и расположенная
на теплоизолирующей опоре 2, выполненной из пористого кремния; фотоприемник 8 кремниевая структура с p-n переходом, выполненная в верхней части диэлектрической
подложки 1 методами фотолитографии. Источник света 4 - полупроводниковый лазер, содержащий активный брэгговский отражатель, который позволяет электрическим сигналом
изменять длину волны генерируемого излучения в пределах 1590…1595 нм [3]. Входной
волновод 5, первый кольцевой микрорезонатор 6, второй кольцевой микрорезонатор 13 и
выходной волновод 7 выполнены в виде планарных волноводов с шириной полоска 0,5 мкм
и толщиной 0,22 мкм из кремния, как в [4]. Концентратор инфракрасного излучения 9 это зеркала из алюминия толщиной 1 мкм, нанесенные термическим распылением в вакууме на полированную стеклянную поверхность. Теплоизолятор 10 - это слой пористого
кремния. Первый 11 и второй 15 буферные слои - это пленки из SiO2 толщиной 2 мкм.
Первая 12 и вторая 14 пленки, поглощающие инфракрасное излучение, - это слои золотой
черни, напыленной в атмосфере водорода [5].
Инфракрасный преобразователь работает следующим образом. В исходном состоянии,
когда отсутствует инфракрасное излучение, первая диэлектрическая подложка 1 и вторая
диэлектрическая подложка 3 имеют температуру окружающей среды Т°. Для калибровки
устройства включается источник света 4, и длина волны генерируемого им излучения λ
изменяется до значения λ0, соответствующего началу резонансной полосы пропускания
оптически связанных первого 6 и второго 13 кольцевых микрорезонаторов при данной
температуре Т°. Излучение с длиной волны λ0, поступая по входному волноводу 5 и через
первый кольцевой микрорезонатор 6, поступает во второй кольцевой микрорезонатор 13.
Часть излучения, определяемая коэффициентами связи оптических элементов устройства,
на длине волны λ0 через выходной волновод 7 поступает на фотоприемник 8 и преобразуется в соответствующий этой части излучения электрический сигнал А0. При появлении
регистрируемого инфракрасного излучения с интенсивностью, превышающей фоновую
освещенность, соответствующую температуре окружающей среды Т°, это инфракрасное
излучение поступает на поверхности первой 12 и второй 14 пленок, поглощающих инфракрасное излучение двумя путями: непосредственно и после отражения от концентратора
инфракрасного излучения 9. В результате температура первого 11 и второго 15 буферных
4
BY 12232 C1 2009.08.30
слоев, находящихся под первой 12 и второй 14 пленками, поглощающих инфракрасное
излучение, изменяется, и далее за счет теплопередачи нагреваются первый 6 и второй 13
кольцевые микрорезонаторы, находящиеся в непосредственном тепловом контакте с первым 11 и вторым 15 буферными слоями. Это приводит к изменению оптической длины
первого 6 и второго 13 кольцевых микрорезонаторов и, как следствие, смещению их резонансной полосы пропускания по отношению к начальной. В результате амплитуда излучения с длиной волны λ0 в выходном волноводе 7 изменяется, и тем самым соответственно
изменяется электрический сигнал с фотоприемника 8. При выборе длины волны λ0 на линейном участке переходной характеристики оптически связанных первого 6 и второго 13
кольцевых микрорезонаторов это изменение выходного сигнала устройства пропорционально
изменению амплитуды регистрируемого инфракрасного излучения. Так как переходная
характеристика оптически связанных первого 6 и второго 13 кольцевых микрорезонаторов
является более крутой, чем переходная характеристика каждого из них в отдельности, то
для обнаружения изменений выходного сигнала устройства требуется меньшая по амплитуде интенсивность регистрируемого инфракрасного излучения.
Источники информации:
1. Пат. США 7005643.
2. Патент РБ 10227.
3. Schreiner R., Nägele P., Körbl M et al. Monolithically Integrated Tunable Laterally Coupled Distributed-Feedback Lasers // IEEE Photon. Techn. Lett. - 2001.-V. 13, № 12. - P. 1277.
4. Dumon P., Bogaerts W., Widux V. et al. Low-Loss SOI Photonic Wires and Ring Resonators Fabricated with. Deep UV Lithography // IEEE Photon. Techn. Lett. - 2004. - V.16, № 5. P. 1328.
5. В.Н. Синцов. Исследование свойств золотой черни // ЖПС. - 1966. - T.IV. Вып. 6. С. 503-508.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
155 Кб
Теги
патент, by12232
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа