ES2322582T3 - Variador de fase y/o atenuador ajustable. - Google Patents
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Abstract
Un variador de fase ajustable y/o atenuador que comprende un guía ondas (11) que tiene un canal (12) definido por unas paredes internas de un guía ondas (11) y una pieza de material fotosensible (18) dispuesto dentro del guía ondas (11) y teniendo dicha pieza de material fotosensible una superficie exterior (21) directamente en contacto con una pared interna (23) de dicho canal (12), una fuente de luz (14) localizada en el exterior del guía ondas (11) para emitir luz a través de una apertura (30) de dicha pared interna (23), caracterizada por que dicha fuente de luz (14) se dispone para incidir luz sobre al menos parte de la superficie exterior (21) de dicha pieza de material fotosensible (18).
Description
Variador de fase y/o atenuador ajustable.
La presente invención se refiere a un variador
de fase ajustable ópticamente y/o atenuador capaz de funcionar en
el espectro de las microondas, ondas milimétricas y submilimétricas.
El variador de fase y/o atenuador puede usarse en un amplio rango
de aplicaciones que incluyen, sin limitarse a, circuitos de
conmutación por variación de fase, imágenes en terahercios,
transmisores y antenas de elementos múltiples desfasados.
En lo que se refiere al rango submilimétrico, la
tecnología de terahercios se ha usado fundamentalmente en los
campos de observación terrestre y astronómica. Sin embargo, muchos
materiales que son opacos en las regiones ópticas e infrarrojas son
transparentes a las ondas de terahercios (0,1 THz a 10 THz). Las
aplicaciones para la tecnología de terahercios se han expandido así
recientemente para incluir áreas como la navegación aérea donde las
ondas de terahercios son capaces de penetrar las nubes y la niebla,
las imágenes médicas donde los tejidos del cuerpo pueden examinarse
sin usar radiaciones ionizantes potencialmente peligrosas y sistemas
de seguridad no invasivos para uso en aeropuertos y puertos en los
que las ondas de terahercios son capaces de pasar a través de la
ropa y materiales normalmente opacos a los infrarrojos.
Debido a las longitudes de onda submilimétricas
de las ondas de terahercios, las dimensiones requeridas y la
precisión de componentes tales como antenas, guías de onda, lentes,
espejos, etc. hace la fabricación difícil y costosa usando las
técnicas de fabricación convencionales.
En la banda de ondas milimétricas, se utilizan a
menudo los variadores de fase ferroeléctricos en los que la fase de
la señal se varía mediante la variación de la permitividad del
material ferroeléctrico por medio del campo eléctrico aplicado. Sin
embargo, los variadores de fase ferroeléctricos sufren de
importantes pérdidas de energía, distorsiones de la señal y ruido y
ofrecen sólo etapas discretas.
Un variador de fase y/o atenuador del tipo de
guía ondas activando ópticamente se ha descrito en la Patente de
Estados Unidos Número 5.099.214 (ROSEN y otros), como el documento
de técnicas anteriores más próximo. Este dispositivo comprende un
bloque semiconductor 24 que se fija a una pared interior 12 de un
guía ondas y que recibe luz de una fuente de iluminación 30
dispuesta en una apertura de una pared interior 14 opuesta a la
pared interior 12. En la Patente de Estados Unidos Número 4.263.570
(DE FONZO), una pieza 20 de material semiconductor se fija a una
pared interior 22 de un guía ondas y una superficie interior de
dicha pieza se ilumina desde el exterior mediante una fuente de luz
12 a través de una apertura 30 en una pared 28 opuesta a la pared
interior 22.
En estos documentos de técnicas anteriores, en
donde la iluminación es desde una pared del guía ondas opuesta, se
forma una capa de pérdidas resistiva en el interior del guía ondas a
una distancia desde la pared interior que es igual al grosor de la
pieza o bloque semiconductor, lo que significa que las pérdidas de
inserción serán siempre altas y que es necesario un alto nivel de
luz para tener un desfase o atenuación significativos.
Concretamente, este nivel de luz debería ser en general
suficientemente alto como para generar una alta densidad de
portadores para situar el material fotosensible (Si) en un estado
metálico o semi-metálico.
Es por tanto un objeto de la presente invención
proporcionar un variador de fase y/o atenuador ajustable capaz de
funcionar en longitudes de onda de microondas, ondas milimétricas
y/o submilimétricas con una capacidad de ajuste mejorada. De
acuerdo con la invención, esto se obtiene proporcionando un variador
de fase y/o atenuador ajustable como se define en la reivindicación
1.
El material fotosensible tiene preferiblemente
una alta resistividad eléctrica. La superficie del material
fotosensible situada cara a la apertura puede ser pasivada por
oxidación.
El variador de fase puede incluir también un
conjunto de tiras de metal que se extienden a través de la
superficie del material fotosensible que está de cara a la
apertura. La finalidad de esta rejilla metálica es evitar que las
ondas internas que viajan por el interior del guía ondas se radien
al exterior y también para permitir que la luz (de longitud de onda
más pequeña), entre en el guía ondas. El tamaño de la rejilla
depende de la frecuencia de la radiación propagada por el guía
ondas.
Se describirán ahora realizaciones de la
presente invención por medio de ejemplos con referencia a los
dibujos que la acompañan, en los que:
la Figura 1 es una vista esquemática en sección
de un variador de fase ajustable o atenuador ajustable en una
tecnología de guía ondas de acuerdo con la presente invención;
la Figura 2 es una vista en sección esquemática
de un variador de fase ajustable o atenuador ajustable en una
tecnología de guía ondas de acuerdo con la presente invención tomada
a lo largo de la línea A-A de la Figura 1;
la Figura 3 es una vista en sección esquemática
de la radiación que se propaga a través del variador de fase
ajustable o atenuador ajustable en una tecnología de guía ondas de
acuerdo con la presente invención; y
la Figura 4 es una vista adicional en sección
esquemática de la radiación que se propaga a través del variador de
fase ajustable o atenuador ajustable en una tecnología de guía ondas
de acuerdo con la presente invención.
- La Figura 5 ilustra el coeficiente de
absorción a del Si (en mm^{-1}) en relación con la longitud
de onda del fotón (en nanómetros).
- La Figura 6 ilustra el índice de refracción
del Si con relación a la longitud de onda en nanómetros, la Figura
7 el porcentaje de luz reflejada, transmitida y absorbida por el Si
con relación a la longitud de onda del fotón en nanómetros (curvas
I, II y III respectivamente), y la Figura 8 el porcentaje de luz
absorbida por el Si con relación a la longitud de onda del fotón
(en nanómetros) para tres grosores de oblea de Si diferentes 50
\mu (I), 100 \mu (II) y 600 \mu
(III).
(III).
- Las Figuras 9 y 10 muestran la constante
dieléctrica y la tan \delta del Si respectivamente a 40 GHz y a
250 Hz.
- La Figura 11 muestra la longitud de onda (en
milímetros) en el interior de un guía ondas WR-28 en
relación con la frecuencia en la banda Ka y en relación a un cambio
en el parámetro a (la dimensión más larga del guía
ondas).
- Las Figuras 12a y 12b muestran un guía ondas
rellenado de modo no homogéneo con una pieza dieléctrica de grosor
t en una pared del mismo y el modo fundamental TE_{10} en él.
- La Figura 13 muestra las curvas de la longitud
de onda (en milímetros) como una función de la frecuencia (GHz) en
el interior de un guía ondas WR-28 con una pieza de
silicio de 300 \mu de grosor en una pared del mismo bajo
diferentes condiciones de luz.
- La Figura 14 muestra curvas de las longitudes
de onda (en milímetros) en una función de la frecuencia (GHz) para
un guía ondas WR-28 con una pieza de Si en una pared
del mismo con diferentes grosores 300 \mu (I), 500 \mu (II),
1000 \mu (III y IV), y dos condiciones de luz diferentes para el
grosor de 1000 \mu.
Un variador de fase ajustable 10 ilustrado en
las Figuras 1 y 2 comprende un guía ondas 11 que tiene un canal
central 12 que extiende la longitud del guía ondas 11 y una apertura
formada en un lado 13 del guía ondas 11. El variador de fase
ajustable 10 puede comprender además una rejilla metálica 20 para
evitar que la radiación de las microondas, ondas milimétricas u
ondas submilimétricas en el interior del guía ondas se pierdan hacia
el exterior del sistema guía ondas.
Se dispone una capa fotosensible 18 dentro del
canal 12 del guía ondas 11 de forma que se extienda fundamentalmente
a través de la apertura. Una fuente de radiación de luz ajustable
14 emite luz en una cierta parte del espectro en la que el material
fotosensible en el interior del guía ondas la absorbe mejor
(infrarrojo, visible, ultravioleta,...). La fuente de luz 14 se
sitúa en el exterior del guía ondas de forma que la radiación
radiada desde la fuente 14 incida sobre un área de la capa
fotosensible 18 expuesta por la apertura 30 formada en un lado 13
del guía ondas 11. El material fotoconductor se coloca directamente
contra la pared del guía ondas y se ilumina a través de la pared
contra la que se coloca. Si la intensidad de luz es suficiente, se
forma una capa cuasi-metálica en los límites de la
pared/material fotosensible del guía ondas que está más cercana a la
pared del guía ondas. Está capa cambia el ancho eficaz del guía
ondas lo que da como resultado un cambio en la longitud de onda de
guía efectiva y de ahí en la fase. Dado que el grosor de la capa
cuasi-metálica 26 depende de la intensidad de luz,
de ella dependerá la variación de la
fase.
fase.
La capa fotosensible 18 puede ser de material
semiconductor, por ejemplo Si, AsGa, Ge.
El guía ondas 11 comprende un cuerpo de silicio
o metálico 15 que tiene un canal central 12 fundamentalmente
rectangular en su sección que extiende la longitud del cuerpo de
silicio 15. El ancho y la altura del canal 12 pueden ser como los
que se utilizan convencionalmente en la construcción de guía ondas
rectangulares. Sin embargo, las dimensiones del cuerpo de silicio
15 pueden ajustarse de acuerdo con las preferencias.
Las superficies interiores 16 del cuerpo de
silicio 15 pueden cubrirse con una película metálica 17,
preferiblemente usando por ejemplo técnicas de deposición en vacío
y electro-plateado. Los metales adecuados para
cubrir el cuerpo de silicio 15 incluyen, pero sin limitarse a,
níquel, cobre, latón, cromo, plata y oro. La cobertura de metal 17
actúa para reflejar la radiación que se propaga a lo largo de la
longitud del canal 12. En consecuencia, la cobertura 17 puede
comprender cualquier material que sirva para reflejar radiación.
Alternativamente, puede utilizarse un guía ondas
completamente metálico hecho por ejemplo con una máquina
fresadora.
Una construcción de guía ondas de silicio
metalizado para aplicaciones de terahercios usando técnicas de micro
mecanizado se conoce y se describe por ejemplo en "Silicon
Micromachined Waveguides for Millimeter and Submillimeter
Wavelengths", Yap y otros, Symposium Proceedings: Third
International Symposium on Space Terahertz Technology, Ann Arbor,
MI, páginas 316-323, marzo 1992 y "Micromachining
for Terahertz Applications", Lubecke y otros, IEEE Trans.
Microwave Theory Tech., Vol. 46, páginas 1821-1831,
noviembre 1998.
La apertura formada en el lado 13 del guía ondas
11 se extiende a través del cuerpo de silicio 15 y de la cobertura
metálica 17 en uno de los lados más largos del guía ondas 11. La
apertura puede ser de forma rectangular y con un ancho
fundamentalmente similar a la anchura del canal 12. La longitud de
la apertura se caracteriza por el grado deseado de variación de
fase en la frecuencia de funcionamiento. Hablando de modo general,
cuanto más larga es la longitud de la apertura (o más bien cuanto
más larga es la región expuesta del reflector fotosensible 18),
mayor será el grado de desviación de fase y/o atenuación.
La capa semiconductora 18 puede asociarse con un
conjunto de elementos reflectores 20. La capa de semiconductor
fotosensible 18 tiene por ejemplo unas superficies superior 21 e
inferior 22 de forma fundamentalmente rectangular. El ancho de la
capa 18 puede ser fundamentalmente similar al ancho del canal 12, en
tanto la longitud de la capa 18 es preferiblemente más larga que la
longitud de la apertura formada en el lado 13 del guía ondas 11.
Preferiblemente la longitud de la capa 18 es sólo ligeramente más
larga que la de la apertura. La capa 18 se asegura dentro del canal
12 del guía ondas 11 de forma que la capa 18 se extiende
fundamentalmente a través de la apertura formada en el lado 13 del
guía ondas 11. La capa de material fotosensible 18 se fija a una
pared 23 del canal 12 por ejemplo mediante una delgada capa de
adhesivo aplicada en los extremos 24, 25 de la capa 18 que se
extiende más allá de la longitud de la apertura. Alternativamente,
si el guía ondas se realiza de silicio metalizado, la capa 18 puede
ser parte integral del guía ondas.
El material fotosensible 18 puede ser
fotoconductor preferiblemente consistente fundamentalmente en
silicio intrínseco. Sin embargo, los materiales fotosensibles
alternativos que pueden usarse incluyen, pero sin limitarse a, GaAs
y Ge.
Cuando la radiación óptica incide sobre la
superficie expuesta 21 de la capa fotosensible 18, se crean
portadores foto excitados en una región cercana a la superficie 21.
En consecuencia, la constante dieléctrica del material fotosensible
18 en esta región cambia; generalmente denominada como reflectividad
foto inducida. La reflectividad de la superficie 21 irradiada del
material fotosensible 18 puede incluso convertirse en similar a la
de un metal dependiendo de la intensidad de la radiación óptica
incidente, pero con este dispositivo es suficiente tener un pequeño
incremento de la parte real de la constante dieléctrica asociada con
un gran aumento de la parte imaginaria de la constante dieléctrica.
En este punto, el material fotosensible 18 puede considerarse como
que tiene una capa resistiva foto inducida separada (referencia
numérica 26 en la Figura 4), pero para una capa delgada, el efecto
de la luz es cambiar las propiedades dieléctricas del material en
profundidad, es decir esencialmente la parte imaginaria de la
constante dieléctrica en todo el grosor.
En tanto el material fotosensible 18 es
generalmente transparente a la propagación de radiación a lo largo
del canal 12 del guía ondas 11, tendrá lugar alguna pérdida de
potencia de la señal. En consecuencia, el grosor de la capa de
material fotosensible 18 puede estar por ejemplo entre 60 y 100
\mum. Puede usarse un grosor mayor de hasta alrededor de 1000
\mum. Por otro lado, el material fotosensible 18 es
preferiblemente silicio.
La vida media de los portadores foto excitados
se determina principalmente por su movilidad y la disponibilidad de
lugares de recombinación en la malla del material fotosensible 18.
Mediante el aumento de la vida media de los portadores, puede
extenderse la vida media de la capa protectora foto inducida. En
consecuencia, la radiación entregada por la fuente 14 puede
entregarse durante períodos de tiempo más cortos. Esto no sólo
reduce la cantidad de energía consumida por la fuente de radiación
sino que también impide que el material fotosensible 18 alcance
temperaturas potencialmente dañinas que podrían llegar a suceder con
radiación continua. Para aumentar la vida media de los portadores,
la capa fotosensible 18 preferiblemente tiene una resistividad
eléctrica alta (>1 k\Omega cm^{-2}). La capa fotosensible 18
puede consistir en silicio que tiene una resistividad eléctrica por
ejemplo entre 4 y 10 k\Omega cm^{-2}.
Por otro lado, la vida media de los portadores
puede aumentarse adicionalmente por ejemplo mediante la pasivación
de la superficie irradiada 21 del material fotosensible 18. La
superficie 21 de la capa fotosensible 18 ofrece un gran número de
lugares de recombinación. Mediante la pasivación de la superficie
irradiada 21, el número de lugares de recombinación disponibles
para los portadores se reduce significativamente. Por tanto la
superficie más superior 21 del material fotosensible
preferiblemente se oxida. Incluso con la oxidación, sin embargo, el
número de lugares de recombinación permanece suficientemente alto
para afectar de modo significativo a la movilidad de los
portadores. Se ha hallado, sin embargo, que aplicando una capa de
adhesivo tal como una resina epoxi a la superficie oxidada del
material fotosensible puede aumentarse de modo significativo la vida
media del portador.
Teniendo una capa fotosensible 18 compuesta
esencialmente de silicio de alta resistencia por ejemplo con una
resistividad de entre 4 y 10 k\Omega cm^{-2} y una superficie
superior oxidada cubierta con una resina epoxi, la vida media de
los portadores foto inducidos y de ahí la de la capa reflectora foto
inducida se aumenta de modo sustancial.
En consecuencia, el desfase puede obtenerse y
mantenerse con intensidad de radiación relativamente baja. Sin
embargo, extendiendo la vida media de los portadores foto inducidos,
el tiempo de respuesta del variador de fase se aumenta.
Se apreciará, sin embargo, que pueden obtenerse
rápidos tiempos de respuesta teniendo un material fotosensible en
el que la vida media de los portadores foto inducidos sea
relativamente corta. Esto puede conseguirse, por ejemplo, teniendo
una capa fotosensible de baja resistencia y cuyas superficies no
hayan sido pasivadas.
El conjunto de elementos reflectores 20 se
forman en la superficie más superior 21 del material fotosensible
18 en la región definida por la apertura en el lado 13 del guía
ondas 11. Los elementos reflectores 20 son preferiblemente tiras de
material reflector. En consecuencia, los elementos reflectores 20
son tiras de metal, que pueden disponerse como una rejilla, éstas
permiten que la mayor parte de la luz entre en el material foto
sensible. De nuevo, los metales adecuados incluyen, pero sin
limitarse a, níquel, cobre, latón, cromo, plata y oro. Las tiras se
alinean preferiblemente sobre la superficie 21 del material
fotosensible 18 de modo que se extienden fundamentalmente paralelas
al ancho del canal 12 y por ello perpendiculares a la longitud del
canal 12. La longitud de las tiras puede ser al menos la del ancho
del canal 12 y preferiblemente extenderse a través del ancho
completo del material fotosensible 18. Las tiras se espacian
uniformemente (o se estrechan) a lo largo de la longitud del
material fotosensible 18 y cubren preferiblemente menos del 50% de
la región de la superficie 21 revelada por la apertura 30. El ancho
y la separación de las tiras es preferiblemente no mayor de 1 mm
(esto depende naturalmente de la frecuencia de funcionamiento). Las
tiras deberían ser de un grosor adecuado para una reflexión total
de la radiación incidente sin ninguna pérdida sustancial. Las tiras
pueden aplicarse, por ejemplo, mediante la aplicación de una máscara
en la superficie 21 del material fotosensible 18 y depositando una
película de metal usando deposición por vapor.
La fuente de radiación 14 puede ser cualquier
fuente capaz de generar reflectividad de portadores foto inducidos
en la capa 18 de material fotosensible y es preferiblemente un láser
comercialmente disponible o matriz de LED que tenga una longitud de
onda visible o cerca del infrarrojo, (de hecho que tenga el mejor
espectro de frecuencia para la absorción por el material
fotosensible utilizado). La potencia requerida de la fuente 14
dependerá de, entre otras cosas, el tipo de material fotosensible 18
y el grado de variación de fase o atenuación requerido.
Un circuito electrónico puede controlar el grado
de variación de fase o atenuación por medio de la iluminación del
material fotosensible.
Con referencia ahora a la Figura 3, la
propagación de la radiación a lo largo de la longitud del canal 12
del guía ondas 11 se refleja internamente por las superficies de la
cobertura metálica 17. Cuando la radiación incide sobre el material
fotosensible 18, la radiación se propaga un poco en el interior de
él debido a su constante dieléctrica reducida. Tras alcanzar la
superficie más superior 21 de la capa de material fotosensible 18,
una proporción de la radiación se refleja de nuevo hacia el canal 12
por el conjunto de elementos reflectores 20. Una pequeña fracción
de la radiación se transmite al aire (indicada por la línea
discontinua) y por lo tanto sale del guía ondas 11. Debido al
ángulo de incidencia de la radiación que se propaga con respecto al
material fotosensible 18, no tiene lugar una reflexión interna
dentro del material fotosensible 18. En consecuencia, la radiación
reflejada por los elementos reflectores 20 se propaga hacia atrás a
través del material fotosensible 18 y dentro del canal 12. La
radiación que se propaga puede incidir sobre el material
fotosensible 18 más de una vez, de acuerdo con la longitud del
reflector 18, antes de que continúe propagándose a lo largo de la
longitud del canal 12 del guía ondas 11.
La figura 4 ilustra la situación en donde la
radiación irradiante entregada por la fuente de radiación 14 incide
sobre el reflector fotosensible 18. La radiación irradiante genera
portadores en el material fotosensible y produce una resistividad
foto inducida en el material fotosensible 18. El grosor o
profundidad efectiva de la capa resistiva foto inducida 26
dependerá de la longitud de onda e intensidad de la radiación
irradiante incidente sobre el material fotosensible 18. Cuando la
radiación que se propaga a lo largo del canal 12 del guía ondas 11
incide sobre la capa fotosensible 18, la radiación se propaga a
través del material fotosensible 18 sólo en la capa reflectora foto
inducida 26. Tras alcanzar la capa resistiva foto inducida 26, la
propagación de la radiación se refleja hacia atrás hacia el canal
12.
El material disipador foto inducido en la capa
18 cambia el modo de propagación en el guía ondas de modo que
ningún campo se introducirá en el material disipador foto iluminado
pero el cambio en el modo fundamental de ese nuevo guía ondas
cambiará de modo efectivo la fase. La radiación que se propaga ahora
tiene una fase (o amplitud) que es fundamentalmente diferente de la
radiación que se propaga a lo largo del guía ondas 11 en ausencia
de la capa fotosensible 18. Más aún, la variación de fase tendrá
lugar cada vez que la propagación de la radiación incida sobre la
capa fotosensible 18. En consecuencia, la longitud de capa
fotosensible 18 que se ilumina determina también el grado de
variación de fase. Esta longitud de iluminación puede ser ajustable
para ajustar la variación de fase y/o la atenuación. Como los
cambios en el modo de propagación del guía ondas se determinan por
las características de la intensidad y la longitud de onda de la
radiación irradiante, el grado de variación de fase puede
controlarse en consecuencia mediante la variación de la intensidad
y/o la longitud de onda de la radiación irradiante entregada por la
fuente 14.
En el dispositivo mostrado en las figuras 1 a 4,
el silicio se ilumina sobre su cara adyacente a la pared del guía
ondas. Esto es esencial para la invención, dado que el campo
eléctrico en un guía ondas rectangular es mayor en la mitad de la
guía y cero en el extremo, por lo tanto un material disipador que se
colocase más hacia el centro del guía ondas absorbería más energía
que si fuera situado en el extremo. Para un variador de fase las
características más deseables son bajas pérdidas de inserción y gran
variación de fase para pequeños requisitos de energía. Cuando el
variador de fase se ilumina con bajos niveles se generan foto
portadores que cambian la resistividad del material, sin embargo,
también se varía la parte imaginaria de la constante dieléctrica.
Cuando la intensidad de luz se aumenta finalmente el silicio
adquiere propiedades metálicas. Para obtener una "capa cuasi
metálica" dentro del silicio debe haber una alta densidad de
portadores 10^{18}-10^{21} portadores/cm^{3}.
Es importante tener en cuenta, sin embargo, que este estado cuasi
metálico no representa un cambio abrupto desde una alta
resistividad a una baja resistividad sino que varía exponencialmente
entre ambos extremo. Sobre un lado de la región (aquel que es
iluminado) hay un estado cercano al de metal, el otro tiene un
estado de alta resistividad, entre medias un estado de pérdidas
resistivas. Es esta región dentro del silicio la que produce la
mayoría de las pérdidas de inserción. Esta capa disipadora siempre
está en el lado opuesto de la región de estado cuasi metálico al
del lado de la misma que está siendo iluminado dado que la luz
decae exponencialmente a través del grosor del silicio. Cuando como
en la presente invención, la capa de silicio adyacente a la pared
del guía ondas se ilumina desde el exterior, comienza a formarse
primero en el exterior del guía ondas, de ahí que las pérdidas de
inserción se mantienen al mínimo. A intensidades de luz más bajas,
la región de pérdidas resistivas estará también en el exterior del
material 18. En las patentes de técnicas anteriores (de Estados
Unidos 4.263.570 y 5.099.214) en donde la iluminación es desde el
lado opuesto al guía ondas, la capa de pérdidas se forma primero en
el interior del guía ondas a una distancia desde la pared del guía
ondas que es igual al grosor del material de silicio 18. Esta es una
diferencia fundamental y significará que las pérdidas de inserción
serán siempre superiores. Además, esta posición se fija físicamente
con respecto a la pared del guía ondas. Esto significa que cualquier
variación de resistividad dentro del silicio tendrá lugar entre el
borde interior del silicio y la pared del guía ondas. En
consecuencia tendrá un efecto relativamente pequeño con respecto al
cambio de la anchura efectiva del guía ondas. Con una iluminación
desde el exterior como en el presente dispositivo, es cierto lo
opuesto.
Las dimensiones del canal 12 del guía ondas 11,
el tamaño y características del reflector fotosensible 18 y el
tamaño de la apertura formada en el lado 13 del guía ondas 11 pueden
todas ellas personalizase para adaptarse al rendimiento deseado del
variador de fase 10. Se describirá ahora un ejemplo de las
dimensiones que podrían usarse para un variador de fase en
frecuencias de terahercios. El ancho y el alto del canal 12 son
preferiblemente alrededor de 1,5 mm y 0,75 mm respectivamente. Esto
proporciona una frecuencia de corte del guía ondas de alrededor de
0,1 THz. En consecuencia, la oblea de silicio usada para construir
el cuerpo de silicio 15 tiene un grosor de alrededor de 0,75 mm. La
cobertura metálica 17 es preferiblemente en el orden de 500 nm. El
ancho de la apertura 30 formada en el lado 13 del guía ondas es
también preferiblemente de 0,75 mm. La longitud de la apertura 30
es preferiblemente de alrededor de 2 cm. La capa de material
fotosensible 18 preferiblemente tiene un ancho, longitud y grosor
de alrededor de 0,75 mm, 2,5 cm y 70 \mum respectivamente y tiene
una capa de oxidación en la superficie más superior 21 típicamente
de alrededor de 10-50 nm. Cada elemento de
reflexión preferiblemente tiene un ancho, longitud y grosor de
alrededor de 0,5 mm, 0,75 mm y 500 nm respectivamente. El espacio
entre los elementos de reflexión es preferiblemente de
0,5 mm.
0,5 mm.
En tanto que la realización descrita
anteriormente comprende un guía ondas que tiene una única apertura y
una única capa fotosensible 18 que se extiende a través de la
apertura, se notará que pueden formarse 2 aperturas sobre los lados
opuestos del guía ondas 11. Se emplearían entonces 2 o más capas
fotosensibles y el grado de variación de fase o atenuación
obtenible pueden doblarse, triplicarse o cuadruplicarse. Se notará
que podría alcanzarse el mismo efecto técnico duplicando la
longitud de la apertura única y la del reflector fotosensible 18.
En cualquier caso, podría considerarse un variador de fase que
comprenda 2 o más aperturas 30 y 2 o más capas fotosensibles 18
cuando el tamaño, y en particular la longitud del variador de fase
es de seria importancia.
Se notará que puede omitirse el conjunto de
elementos reflectores 20. En esta situación, alguna forma de
radiación irradiante debe entregarse a la capa fotosensible 18 de
forma que la capa receptora foto inducida 26 esté continuamente
presente. Por ejemplo, la fuente de radiación 14 puede irradiar
continuamente al reflector fotosensible 18 con radiación.
Alternativamente, la fuente de irradiación 14 puede entregar
irradiación pulsante, de alta intensidad.
Más que formar un conjunto de elementos
reflectores 20 sobre la superficie 21 del material fotosensible 18
de cara a la apertura, los elementos reflectores pueden formarse
sobre un elemento separado tal como una placa de vidrio. La placa
de vidrio podría colocarse entonces dentro de la apertura de forma
que descanse sobre la parte superior del material fotosensible
18.
El variador de fase 10 puede comprender también
un atenuador, tal como un atenuador variable, para compensar las
variaciones en la amplitud de la radiación que se propaga con
variación de fase, o un atenuador ajustable simple, no
necesariamente adjunto al dispositivo variador de fase. Además, es
posible entonces tanto la modulación de fase como de amplitud de
una señal.
Las señales en longitudes de onda de milímetros
requieren un guía ondas que tenga dimensiones mayores que para
frecuencias de terahercios (submilimétricas). En consecuencia, el
grado de desfase posible se reduce debido a la reducida relación
del grosor de la capa foto inducida con respecto a la altura del
guía ondas. Sin embargo, esta reducción en la variación de la fase
puede compensarse teniendo un reflector fotosensible 18 de mayor
longitud.
Dado que el material fotosensible 18 es
generalmente transparente a la señal que se propaga, la distorsión
de la señal y la pérdida de potencia son generalmente bajas en
comparación con los variadores de fase ferroeléctricos.
Lo siguiente se refiere a la ventaja obtenida
para un variador de fase a partir de las propiedades ópticas del
silicio que, como se ha identificado por los inventores, permite un
cambio en la permitividad relativa compleja del silicio cuando se
ilumina por una fuente de luz en longitudes de onda del
infrarrojo.
La iluminación del silicio por medio de fuentes
de luz cercanas al infrarrojo/visibles provoca la generación de
pares electrón-hueco, produciendo así un plasma.
Este plasma depende directamente de la intensidad y de la longitud
de onda de la luz incidente.
\global\parskip0.950000\baselineskip
Si suponemos una incidencia normal de la luz
sobre la oblea de silicio, las fórmulas que explican las propiedades
del material son las siguientes:
La cantidad de luz reflejada por una interfase
aire-silicio es:
R_{1} =
\frac{(n_{r} - 1)^{2} + n_{i}^{2}}{(n_{r} + 1)^{2} +
n_{i}^{2}}
dónde n = n_{r} +
j \cdot n_{i} y n es el índice de
refracción del
silicio.
Para valores del coeficiente de refracción
mayores de cero, el porcentaje R de la luz total reflejada puede
determinarse usando la siguiente ecuación:
R \approx
R_{1} + (1-R_{1}) \cdot R_{1} \cdot e^{-\alpha \cdot
2 \cdot t} - (1-R_{1}) \cdot R_{1}{}^{2} \cdot
e^{-\alpha \cdot 2 \cdot t} + (1-R_{1}) \cdot
R_{1}{}^{3} \cdot e^{-\alpha \cdot 4\cdot t} -
(1-R_{1}) \cdot R_{1}{}^{4} \cdot e^{-\alpha \cdot
4\cdot t} +
...
dónde el coeficiente \alpha es el
coeficiente de absorción del silicio y es dependiente de la longitud
de onda, ver figura 5. Y t es el grosor de la oblea de
silicio.
Cada término en la serie infinita se asocia con
las sucesivas reflexiones cuando la luz rebota entre las superficies
de la oblea de silicio. Similarmente, el porcentaje de transmisión
T puede determinarse usando la siguiente ecuación:
T \approx
(1-R_{1}) \cdot e^{-\alpha \cdot t} -
(1-R_{1}) \cdot R_{1} \cdot e^{-\alpha \cdot t} +
(1-R_{1}) \cdot R_{1}^{2} \cdot e^{-\alpha \cdot
3\cdot t} - (1-R_{1}) \cdot R_{1}^{3} \cdot
e^{-\alpha \cdot 3\cdot t} +
...
dónde el porcentaje de luz
absorbida A viene dado
por:
A \approx 1 -
(R +
T)
Hay esencialmente dos regiones de fuerte
absorción óptica en el silicio. La figura 5 muestra el coeficiente
de absorción en relación con la longitud de onda del fotón para las
regiones visible-FIR e IR respectivamente. Para
energías de fotón iguales o mayores que el salto de energía, tendrá
lugar una absorción óptica normal con la generación de portadores
libres.
En la figura 6, se dibuja un trazado del índice
de reflexión del material del silicio contra la longitud de onda
(en nanómetros). El índice de refracción tiene su máximo en el color
violeta del espectro, esto significa que la luz
violeta-azul se refleja por el silicio más
fuertemente que otros colores visibles por lo que vemos este
material como coloreado en violeta-azul.
En la figura 7 podemos ver la cantidad de
energía luminosa absorbida, reflejada y transmitida por una oblea
de silicio de 600 \mum de grosor. La máxima absorción tiene lugar
para la luz visible de color rojo y cerca de las longitudes de onda
infrarrojas.
También en la figura 8 se dibuja una comparación
de tres grosores de oblea diferentes en términos de la energía
luminosa absorbida por el material, para ilustrar el porcentaje de
luz absorbida por el silicio en relación con la longitud de onda
del fotón (en nanómetros).
La permitividad relativa compleja del
semiconductor que contiene los pares electrón-hueco
se expresa como la suma de dos términos dependientes del electrón
(e) y huecos (h):
\varepsilon^{Si}_{r} =
\varepsilon_{\mu} - \sum\limits_{i = e,h} \frac{\varpi^{2}_{pi}}{(2
\cdot \pi \cdot f)^{2} + v_{i}^{2}} \cdot \left(1 + j \cdot
\frac{v_{i}}{2 \cdot \pi \cdot
f}\right)
dónde \varpi^{2}_{pi} =
(N \cdot q^{2}/\varepsilon_{0} \cdot
m_{i}) es la frecuencia angular del plasma,
\varepsilon_{\mu} =11,8 es la constante dieléctrica en oscuridad
del silicio, v_{i} es la frecuencia angular de colisión,
m_{i} es la masa efectiva de la portadora, q es la
carga del electrón y \varepsilon_{0} es la permitividad
del espacio
libre.
Por razones de cálculo: \varepsilon_{0} =
8,854\cdot10^{-12} F\cdotm^{-1},
v_{e} = 4,53\cdot10^{12} s^{-1},
v_{h} = 7,71\cdot10^{12} s^{-1},
m_{e} = 0,259\cdotm_{0}, m_{h} =
0,38\cdotm_{0}, m_{0} = 9,107\cdot10^{-28}
g es la masa del electrón libre y N es número de
portadores generados en el plasma.
La constante dieléctrica de un material se
define como una parte real y una parte imaginaria. La relación
entre la parte real y la imaginaria es lo que denominamos
tan(\delta) de un material. Este importante parámetro del
material se relaciona directamente con las pérdidas de ese material
cuando una onda electromagnética pasa a través de él.
\varepsilon =
\varepsilon' + j \cdot \varepsilon ''\ tan(\delta) =
\frac{\varepsilon ''}{\varepsilon
'}
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
En las siguientes figuras, se dibuja un trazado
de la constante dieléctrica y de la tan(\delta) del silicio
a diferencias frecuencias respectivamente 40 GHz y 250 GHz contra
la concentración de portadores, N entre 10^{10} y
10^{20}/cm^{3}.
Por ejemplo, puede verse en la figura 9 que con
una concentración de portadores de 10^{17} cm^{-3}, la parte
real de la constante dieléctrica del silicio a 40 GHz es 85,6 y a
N=10^{18} cm^{-3} es 750 donde el silicio tiene una constante
dieléctrica realmente alta. Para N por encima de 10^{17}
cm^{-3}, la parte real e imaginaria de la constante dieléctrica
del silicio aumenta con la misma pendiente, de forma que la
tan(\delta) se hace constante.
En condiciones de luz nula, la cantidad de
portadores en el silicio es alrededor de 10^{10} cm^{-3} donde
la tan(\delta) es alrededor de 10^{-4} a 40 GHz. Pero
cuando la concentración de portadores aumenta con la luz, el
silicio se convierte en un material muy disipador manteniendo su
constante dieléctrica completamente estable. Como se verá en los
siguientes párrafos de la descripción, es interesante para el
variador de fase cambiar la constante dieléctrica del material de
silicio para afectar a las características de propagación de las
ondas electromagnéticas, más que cambiar las pérdidas del material
que atenuarán la onda y que es interesante para la función de
atenuador del dispositivo. De forma que se requiere una cierta
cantidad de luz por área.
En la figura 10 puede verse que a frecuencias
mayores que milimétricas, (250 GHz), la parte real de la constante
dieléctrica del material se comporta exactamente como a 40 GHz, pero
la parte imaginaria es inferior, aunque aumenta con la luz con la
misma pendiente, de modo que de hecho, las pérdidas son menores a
frecuencias mayores que milimétricas.
A partir de la comprensión de las propiedades
previas, puede decirse que pueden conseguirse cambios en las
propiedades como material dieléctrico del silicio por medio de una
fuente óptica de intensidad variable. Esta propiedad abre un nuevo
campo de aplicaciones para el diseño y fabricación de una amplia
variedad de componentes en las frecuencias milimétricas por medio
de foto iluminación. Suponemos en nuestros cálculos por elementos
finitos por medio de Ansoft-HFSS que el grosor del
plasma permanece constante mientras la densidad de plasma varía en
este grosor con la intensidad de la luz aplicada.
La razón principal de este estudio es diseñar,
fabricar y medir un variador de fase para una tecnología de guía
ondas rectangulares. El variador de fase ajustable ha de obtener una
variación de fase con alta precisión y con pérdidas tan bajas como
sea posible. Un mejor modo es un variador ajustable con una
variación de fase de 360º. Se coloca una pieza de silicio dentro
del guía ondas rectangular y se cambian sus propiedades dieléctricas
por medio de las condiciones adecuadas de foto iluminación. Si se
coloca un cierto tamaño de pieza de silicio dentro de un guía ondas
rectangular y se ilumina, esto cambia las características de
propagación del guía ondas y las características de transmisión del
guía ondas.
La iluminación puede realizarse por medio de una
rejilla metálica en una de las paredes del guía ondas de forma que
sea transparente para la luz y "metálica" para las ondas
milimétricas de forma que las características de la guía
rectangular no cambien.
También, una cierta cantidad de luz requerida
para realizar un cambio en las propiedades de propagación del guía
ondas con una pieza de silicio en el interior. De hecho, es fácil
comprobar que cuando la longitud de onda aumenta, la cantidad de
luz por unidad de área debe ser inferior, porque la pieza de silicio
necesario para realizar el cambio será menor. De hecho, si
aumentamos la frecuencia en un factor de 10, la cantidad de luz por
unidad de área requerida disminuirá en un factor de 100.
Por razones de facilidad de fabricación y
medición, el diseño dado como ejemplo se preparó en la banda Ka
para el guía ondas estándar WR-28. Las dimensiones
de este guía ondas son a = 7,1 mm y b = 3,6 mm, y en la figura 11
puede verse la longitud de onda dentro de este guía ondas contra la
frecuencia. También en la figura 11, podemos ser los efectos sobre
la longitud de onda (en mm) dentro de un guía ondas
WR-28 de un cambio su parámetro a de 7,1 mm a 5
mm.
La longitud de ondas dentro de un guía ondas
rectangular se define por:
\lambda_{g} =
\frac{\lambda_{0}}{\sqrt{1 -
\left(\frac{\lambda_{0}}{2a}\right)^{2}}}
dónde \lambda_{0} es la
longitud de onda en el espacio libre y a esa dimensión más
larga de un guía ondas
rectangular.
Esta fórmula significa que si cambiamos el
parámetro (a) en un guía ondas rectangular cambiaremos su longitud
de onda y de hecho la fase para una cierta longitud de guía ondas.
De forma que si colocamos una pieza de silicio en una de las
paredes del guía ondas y cambiamos su constante dieléctrica desde
11,8 hasta por encima de 100 de hecho cambiaremos la dimensión (a)
del guía ondas cambiando su longitud de onda interior para una
cierta frecuencia.
La cantidad de cambio de fase dependerá entonces
del grosor de la pieza de silicio, su posición dentro del guía
ondas, su longitud y la constante dieléctrica del silicio foto
iluminado que obtendremos. Debe tenerse especial cuidado para
evitar pérdidas del guía ondas si tratamos de obtener un gran cambio
de fase en una longitud corta y presionamos al guía ondas cerca del
corte porque las pérdidas de retorno del dispositivo aumentarán en
gran medida.
Si analizamos un guía ondas rectangular con una
pieza de silicio en una de las paredes, (figura 12a), podemos
concluir que se produce un modo de propagación que es muy similar al
del guía ondas rectangular normal. De hecho, como podemos ver en la
figura 8b, el modo fundamental es muy similar al TE_{10} del guía
ondas rectangular normal [Field Theory of Guides Waves, Collin],
este modo tiene la ventaja de que sólo una pequeña cantidad del
campo viajará en el interior del inserto de silicio, de forma que
las pérdidas serán bajas, y la frecuencia de corte de este tipo de
guía ondas es más baja que en un guía ondas rectangular normal,
(también una ventaja, adicionalmente debemos tener cuidado con
otros modos que pueden aparecer en las frecuencias más altas de la
banda).
En la figura 13 puede verse la longitud de onda
de un guía ondas WR-28 con una pieza de silicio de
300 \mum de grosor en la pared de un guía ondas en condiciones de
oscuridad e iluminación.
Como se muestra en la figura 13, la longitud de
onda de un guía ondas normal WR-28 y el mismo guía
ondas completado con un silicio de 300 \mum de grosor en la pared
bajo condiciones de oscuridad es prácticamente la misma. Tras la
iluminación del silicio, cambia la constante dieléctrica dentro de
él y produce un cambio en la longitud de onda y de hecho en la
fase. Para tener un cambio de fase eficaz en un dispositivo corto,
el cambio de la constante dieléctrica del silicio por medio de la
foto iluminación debe ser alta.
Como ejemplo, si cambiamos la constante
dieléctrica del material desde 11,9 a 500, necesitamos una longitud
de 40 mm de silicio para obtener un cambio de fase total de 360
grados en la banda Ka completa, pero si sólo alcanzamos una
constante dieléctrica de 100 se necesita una longitud de casi 300 mm
de silicio. Por ello el dispositivo en el último caso no será muy
práctico si el objetivo es obtener un cambio de fase de 360º.
Alcanzar una constante dieléctrica de 500 para
permitir un dispositivo eficaz y compacto sobre un área de 40
\times 3,6 mm, significa, ver figura 5, que la concentración de
portadores debe estar por encima de 10^{18} que es muy alta. Tal
alta densidad de plasma no se alcanzará con un equipo de luz normal
y se necesitará un equipo costoso.
Puede verse a partir de la figura 14, que si se
usa una pieza de silicio más gruesa de 1 mm de grosor, una longitud
de 15 mm de silicio que cambia su constante dieléctrica desde 11,9 a
50 sufrirá para alcanzar un cambio de fase de 360º en la banda Ka
completa. Esto significa una concentración de portadores de
alrededor de 5\cdot10^{16} que es fácilmente alcanzable.
Claims (7)
1. Un variador de fase ajustable y/o atenuador
que comprende un guía ondas (11) que tiene un canal (12) definido
por unas paredes internas de un guía ondas (11) y una pieza de
material fotosensible (18) dispuesto dentro del guía ondas (11) y
teniendo dicha pieza de material fotosensible una superficie
exterior (21) directamente en contacto con una pared interna (23)
de dicho canal (12), una fuente de luz (14) localizada en el
exterior del guía ondas (11) para emitir luz a través de una
apertura (30) de dicha pared interna (23), caracterizada por
que dicha fuente de luz (14) se dispone para incidir luz sobre al
menos parte de la superficie exterior (21) de dicha pieza de
material fotosensible (18).
2. El variador de fase ajustable y/o atenuador
como en la reivindicación 1, en el que el material fotosensible
(18) es material fotoconductor, por ejemplo Si, GaAs o Ge.
3. El variador de fase ajustable y/o atenuador
como en las reivindicaciones 1 ó 2 en el que al menos la superficie
exterior (21) de la pieza de material fotosensible (18) que está
cara a la apertura se pasiva mediante oxidación.
4. El variador de fase ajustable y/o atenuador
como en la reivindicación 3, en el que al menos la superficie
exterior (21) de la pieza de material fotosensible (18) que está
cara a la apertura tiene una cobertura de una resina epoxi.
5. El variador de fase ajustable y/o atenuador
como en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que
al menos parte de la superficie exterior (21) de la pieza de
material fotosensible (18) que está cara a la apertura se cubre con
tiras (20) de elementos reflectores para evitar que la radiación en
el interior del guía ondas (11) se pierda hacia el exterior.
6. El variador de fase ajustable y/o atenuador
como en la reivindicación 5, en el que dichas tiras (20) forman una
rejilla.
7. El variador de fase ajustable y/o atenuador
como en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que
la fuente de luz (14) es ajustable para generar en dicha pieza de
material fotosensible (18) una concentración de portadores de entre
10^{18} cm^{-3} y 10^{21} cm^{-3}.
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