Инфракрасный многоспектральный матричный преобразователь

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИНФРАКРАСНЫЙ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ МАТРИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Инфракрасный многоспектральный матричный преобразователь, содержащий корпус, в основании которого установлены коммутационная плата с внешними выводами и подложка с фоточувствительными элементами, оптически связанными с соответствующими оптическими фильтрами, закрепленными в держателе и оптически связанными с входным окном в крышке корпуса, отличающийся тем, что на подложке расположены 12175 1 2009.08.30 последовательно оптически связанные светодиод, входной волновод, волноводный оптический фильтр, содержащий по меньшей мере два оптически связанных замкнутых волновода, размещенных между буферными слоями, и внутренний волновод, оптически связанный с фоточувствительными элементами, оптически связанными через выходные волноводы с соответствующими фотодиодами, выходные контакты которых, равно как и входные контакты светодиода, электрически связаны с соответствующими внешними выводами, каждый фоточувствительный элемент содержит по меньшей мере два оптически связанных замкнутых волновода, сверху которых нанесены буферные слои и пленка черни, а снизу расположены двухслойные структуры из буферных слоев и теплоизолирующих выступов, размеры которых совпадают с проекцией замкнутых волноводов на плоскость подложки, при этом оптические фильтры выполнены в виде косоугольных призм, угол наклона которых относительно подложки задан условием полного внутреннего отражения входного излучения по меньшей мере от двух поверхностей. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что теплоизолирующие выступы выполнены из пористого кремния. Изобретение относится к инфракрасной технике и может использоваться в системах безопасности, не чувствительных к электромагнитным помехам, в устройствах контроля процессов сварки, горения и т.д. Известен матричный преобразователь ИК-изображений 1, имеющий подложку, на которой последовательно расположены брэгговский отражатель, активная среда лазера,элемент, поглощающий ИК-излучение подвижное зеркало резонатора на консольной подвеске и электроды тока инжекции и электроды подачи напряжения смещения, электрически соответственно соединенные с активной средой лазера и консольной подвеской, причем подвижное зеркало резонатора оптически непосредственно связано с оптической системой и через активную среду лазера - с брэгговским отражателем. Устройство имеет низкую эффективность и чувствительность преобразования инфракрасного излучения в выходной оптический сигнал видимого диапазона, так как на всех металлических электродах и других проводящих элементах преобразователя могут появляться электрические сигналы и тепловые потоки, наведенные внешними электромагнитными полями. Кроме этого, подвижное металлическое зеркало с консольной подвеской могут нагреваться теплопередачей из активной среды лазера, через которую постоянно протекает ток инжекции и спонтанным излучением, которое рассеивается активной средой лазера во все стороны (до момента появления когерентного излучения, которое частично поглощается металлическим подвижным зеркалом). Наиболее близким по технической сущности является многоспектральный матричный преобразователь 2, содержащий оптически последовательно связанные входное окно,оптические фильтры, выполненные на различных подложках, фоточувствительные элементы, выходные контакты которых электрически соединены с внешними выводами, установленными в коммутационную плату, на поверхности которой закреплен держатель с установленными на нем фоточувствительными элементами и оптическими фильтрами,при этом на корпусе закреплены коммутационная плата, крышка с расположенным на ней входным окном. Описанный многоспектральный матричный преобразователь не обладает достаточно высокой чувствительностью, так как на металлических контактах фоточувствительных элементов, внешних металлических выводах могут появляться электрические сигналы,наведенные внешними электромагнитными полями. Кроме этого, в многоспектральном матричном преобразователе, отсутствует температурная стабилизация параметров, а для его сборки требуются фоточувствительные элементы, выполненные на разных подложках из разных полупроводниковых материалов. 2 12175 1 2009.08.30 Техническая задача - увеличение чувствительности при одновременном повышении помехозащищенности. Поставленная техническая задача решается тем, что инфракрасный многоспектральный матричный преобразователь, содержащий корпус, в основании которого установлены коммутационная плата с внешними выводами и подложка с фоточувствительными элементами, оптически связанными с соответствующими оптическими фильтрами, закрепленными в держателе и оптически связанными с входным окном в крышке корпуса,содержит на подложке расположены последовательно оптически связанные светодиод,входной волновод, волноводный оптический фильтр, содержащий по меньшей мере два оптически связанных замкнутых волновода, размещенных между буферными слоями, и внутренний волновод, оптически связанный с фоточувствительными элементами, оптически связанными через выходные волноводы с соответствующими фотодиодами, выходные контакты которых, равно как и входные контакты светодиодов, электрически связаны с соответствующими внешними выводами, каждый фоточувствительный элемент содержит по меньшей мере два оптически связанных замкнутых волноводова, сверху которых нанесены буферные слои и пленка черни, а снизу расположены двухслойные структуры из буферных слоев и теплоизолирующих выступов, размеры которых совпадают с проекцией замкнутых волноводов на плоскость подложки, при этом оптические фильтры выполнены в виде косоугольных призм, угол наклона которых относительно подложки задан условием полного внутреннего отражения входного излучения по меньшей мере от двух поверхностей. Для эффективного решения поставленной технической задачи теплоизолирующие выступы выполнены из пористого кремния. Совокупность указанных признаков позволяет исключить металлические детали из фоточувствительных элементов первого типа и существенно увеличить чувствительность устройства за счет уменьшения теплопередачи подложка - фоточувствительные элементы первого типа. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и фиг. 2, где 1 - входное окно,2 - оптические фильтры,3 - фоточувствительные элементы (ФЧЭ) первого типа,4 - выходные контакты,5 - внешние выводы,6 - подложка,7 - коммутационная плата,8 - корпус,9 - держатель,10 - светодиод,11 - входной волновод,12 - волноводный оптический фильтр,13 - внутренний волновод,14 - выходные волноводы,15 - замкнутые волноводы,16 - фоточувствительные элементы (ФЧЭ) второго типа,17 - теплоизолирующие выступы,18 - буферные слои,19 - пленки черни,20 - входные электрические контакты,21, 22 - поверхности полного внутреннего отражения,23 - крышка. 12175 1 2009.08.30 В заявленном устройстве (фиг. 1) оптически последовательно связаны входное окно 1,оптические фильтры 2, фоточувствительные элементы первого типа 3, выполненные на подложке 6, которая расположена на коммутационной плате 7, содержащей внешние выводы 5 и установленной в корпусе 8, на котором закреплен держатель 9 и крышка 23 с расположенным на ней входным окном 1. На подложке 6 расположены оптически последовательно связанные светодиод 10 (фиг. 2), входной волновод 11, волноводный оптический фильтр 12, внутренний волновод 13, который оптически связан с фоточувствительными элементами первого типа 3, каждый из которых оптически связан через выходные волноводы 14 с фоточувствительными элементами второго типа 16, выходные контакты 4 которых как и входные электрические контакты и 20 светодиода 10 электрически соединены с соответствующими внешними выводами 5. Волноводный оптический фильтр 12 содержит как минимум два замкнутых волновода 15, расположенных между буферными слоями 18. Фоточувствительные элементы первого типа 3 состоят из расположенных друг над другом(фиг. 1) теплоизолирующих выступов 17, буферного слоя 18, замкнутых волноводов 15,буферного слоя 18, пленки черни 19. Оптические фильтры 2 закреплены в держателе 9 и содержат как минимум две поверхности 21, 22 полного внутреннего отражения. В конкретном исполнении входное окно 1 - это пластина германия. Оптические фильтры 2 - это косоугольные призмы из Ва 2, находящиеся в оптическом контакте с прямоугольными пластинами из Са 2, как в 3. Фоточувствительные элементы первого типа 3 - это многослойная структура, выполненная на подложке 6 и содержащая теплоизолирующие выступы 17 из пористого кремния, буферный слой 18 окиси кремния толщиной 2 мкм, замкнутые волноводы 15, выполненные из кремния и имеющие ширину 0,5 мкм и толщину 0,3 мкм, буферный слой 18 и пленка черни 19, выполненную из окислов тяжелых металлов, как в 4. Выходные контакты 4 и входные 20 - это металлические контактные площадки из А, выполненные методами вакуумного распыления. Внешние выводы 5 - это металлические штыри из меди, запрессованные в стеклотекстолит коммутационной платы 7. Корпус 8, держатель 9 и крышка 23 выполнены из сплава Д 16 Т по стандартной технологии. Светодиод 10 - это бескорпусный светодиод ЗЛ 142 А-4, кристаллодержатель которого размещается на подложке 6. Входной волновод 11, внутренний волновод 13, выходные волноводы 14 - это планарные волноводы шириной 0,5 мкм, толщиной 0,3 мкм, выполненные из кремния на буферном слое диэлектрика (2) 18. Замкнутые волноводы 15 представляют собой два оптически связанных замкнутых в кольцо волновода, которые выполнены аналогично волноводам 11, 13, 14. Волноводный оптический фильтр 12 выполнен аналогично как 15 и расположен на буферном слое 18. Фоточувствительные элементы второго типа 16 - это стандартные фотодиоды на длину волны 1550 нм, расположенные на поверхности подложки 6. Теплоизолирующие выступы 17 выполнены из пористого кремния путем химического травления поверхности подложки 6. Буферные слои 18 - это слой толщиной 2 мкм 2, выполненный на поверхностях подложки 6, теплоизолирующих выступов 17 и замкнутых волноводов 15 по стандартной технологии. Пленки черни 19 - это слой окислов тяжелых металлов, полученный в атмосфере водорода методами вакуумной технологии, как в 4. Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии, когда отсутствует инфракрасное излучение, превышающее фоновый уровень облучения, соответствующий температуре окружающей среды 0, все элементы устройства имеют температуру Т 0. При подаче через соответствующие внешние выводы 5 электрического напряжения на входные электрические контакты 20 светодиода 10, он начинает излучать инфракрасное излучение (ИК-излучение) с максимумом на длине волны 1,5 мкм, часть которого попадает во входной волновод 11. Оптическое излучение, спектральный состав которого совпадает с резонансной характеристикой волноводного оптического фильтра 12, ответвляется в его замкнутые волноводы 15. Часть этого излучения, накопленного в волноводном оптическом фильтре 12, переходит во внутренний волновод 13 и распространяясь по 4 12175 1 2009.08.30 нему последовательно попадает во все замкнутые волноводы 15 всех фоточувствительных элементов первого типа 3 (ФЧЭ), так как при одинаковой температуре Т 0 всех элементов устройства резонансные характеристики всех замкнутых волноводов 15 совпадают. Поэтому все оптические сигналы в выходных волноводах 14 и соответственно все электрические сигналы на выходных контактах 4 ФЧЭ второго типа 16 относительно нулевого потенциала (общей точки) будут одинаковы. При поступлении во входное окно 1 ИК-излучения, превышающего фоновое излучение, соответствующее температуре окружающей среды 0, последнее проходит (или не проходит в соответствии с его спектральной характеристикой) через соответствующие оптические фильтры 2 и поглощается (или не поглощается) соответствующими пленками черни 19. Диапазоны длин волн ИК-излучения (1 1,4 мкм, 1,5 2,5 мкм, 2,6 3,6 мкм и т.д.), проходящие через оптические фильтры 2 задаются углами наклона косоугольных призм в указанных фильтрах. В результате температура каждой Т пленки черни 19 будет индивидуально отличаться от температуры окружающей среды ТТ 0. Через промежуток времени (равный постоянной времени устройства) за счет процесса теплопередачи индивидуально устанавливается температура каждого замкнутого волновода 15, находящегося в соответствующем ФЧЭ первого типа 3,и тем самым, изменится соответственно линейный размер каждого из них, т.е. оптическая длина. В результате произойдет индивидуальное смещение резонансной характеристики каждого замкнутого волновода 15 и соответственно светопропускание для ИК-излучения,распространяющегося во внутреннем волноводе 13. Таким образом, из-за вариаций интенсивности излучения в выходных волноводах 14, произойдет соответствующее индивидуальное изменение выходных электрических сигналов ФЧЭ второго типа 16, которое будет соответствовать наличию ИК-излучения в том или ином входном спектральном диапазоне длин волн. Компенсация изменений температуры окружающей среды Т 0 происходит в устройстве за счет температурных изменений размеров волноводного оптического фильтра 12 и соответствующего смещения его резонансной характеристики в пределах длин волн, излучаемых светодиодом 10. Увеличение чувствительности и уменьшение влиянию помех в устройстве достигается за счет уменьшения теплопередачи от замкнутых волноводов 15, расположенных в ФЧЭ первого типа 3 (теплопроводность пористого кремния существенно меньше теплопроводности кремния), а также возможностью экранирования всех электрических цепей устройства и учета фона. Источники информации 1. Липатов Н.И., Бирюков А.С. Матричный лазерный преобразователь ИК изображения в видимое // Квантовая электроника, 2006. - Т. 36. -4. - С. 389-391. 2. Горбунов Н., Варфоломеев С., Дийков Л., Медведев Ф. Новые оптоэлектронные датчики пламени // Электроника наука, технология, бизнес. 2005. -2. - С. 30-33. 3. Филачев А.М., Сагинов Л.Д., Кононов А.С. и др. Спектральная фильтрация изображений с использованием явления полного внутреннего отражения // Электронный научный журналИсследовано в России, //.ар/2005/159 - С. 1656-1670. 4. Синцов В.Н. Исследование свойств золотой черни // ЖПС. - 1966. - Т - Вып. 6. С. 503-508. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6