JPS5941911A - パラメトリツク弾性表面波増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、パラメトリック増幅作用により動作する弾性
表面波増幅器に関するものである。

従来におけるパラメトリック弾性表面波増幅器の一例と
して特開昭５４−４１０８９号に示されるように、半導
体と圧電体とを備えたｖｌ、屠体における圧電体の表面
部に電気信号の入力手段および出力手段を設けると共に
、上記入力手段および出力手段間の人面波信号伝播経路
上に直流バイアス電圧およびポンプ電力印加用の電極ケ
設け、上記半導体の表面部における表面−荷層容量非線
形性によるパラメトリック相互作用により上記入力手段
によって電気信号から変換された表面波信号乞増幅し、
この増幅された表面波信号χ上記出力手段により電気信
号に変換して外部に取り出ずように構成したものが知ら
れている。

このパラメトリンク弾性表面波増幅器は、■、　高周波
で高いＱが得らｉする、 ２、広い周波数範囲に渡って同調可変とすることができ
る、 ３、中心周波数の安定性７良くすることが容易である。

等の利点を有している。

しかしこの反面、増幅器の増幅利得と増幅帯域との間に
は密接な関係があるために、大きな増幅利得７得ようと
すると必然的に増幅帯域が狭くなってくるので、広帯域
を必要とする信号系の処理には不向きとなる。

また大きな増幅利得で動作させようとすると、入力ポン
プ電力の大きさやバイアス電圧を精密に制御する必要が
あるために回路が複雑となる欠点がある。

さらに従来において、非線形媒質表面を信号波と共にそ
の２倍の周波数のポンプ波を同時に同方向に伝播させて
信号波を増幅させるようにしたバラメ）　ＩＪランク性
表面波増幅器が知られているが、１、　ポンプ波として
高周波で大電力の弾性表面Ｓχ用いる必要があるためポ
ンプ波用トランスジューサの設計が難かしくなる。

２、　ポンプ波の伝播損失が生じるので大きな増幅利得
７得るのが難かしくなる、 等の欠点があった。

本発明は以上の諸問題に対処してなされたもので、弾性
表面波の伝播速度の伝播速度が周波数分散特性上示す媒
体の表面に励振によりパラメータの変化する部分χ周期
的に設け、上記周波数分散特性上において一定条件を満
足する波が入力された時のみパラメトリック相互作用を
生じせしめてそのＩｊｌを上記媒体な伝播させるよ５に
構成することにより従来欠点を除去するパラメトリック
弾性表面波増幅器を提供することを目的とするものであ
る。

以下図面を参照して本発明実施例を説明する。

第１図は本発明実施例罠よるパラメトリック弾性表面波
増幅器を示す斜視概略図で、１は半導体基板２とその上
に設けられた圧電体３とから成るＩＩＩ、　ＷＡ体によ
って構成された媒体、４は入カドランスジューサ、４Ａ
、４Ｂは（ｇ号入カ端子、５は出カドランスジューサ、
５Ａ、５Ｂは信号出方端子、６は上記入力および出カド
ランスジューサ４，５間に設けられた交差指構造から成
るポンプ電極、７はポンプ’ａｓ、ｓは平衡−不平衡変
換トランス、９は久方弾性表面波、１０．１１は出方弾
性表面波である。

第２図は特にポンプ電極６の構成を示す概略図で、ポン
プ電極６は周期長！でもって多数の電極指６Ａ、６Ｂ、
６Ｃ・・・から成っている。なおＬはパラメトリック相
互作用が生じる領域の長さである。

上記積層体ｌを構成する半導体基板２は例えばシリコン
、ガリウム砒素等から成り、この基板２表面に周知の蒸
着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の技術によって酸
化亜鉛（Ｚｎ０）、窒化アルミニウム（ＡＪＮ　）、ニ
オブ酸リチウム（Ｌ＋ＮｂＵａ）、硫化カドミニウム（
ＣｄＳ　）、硫化亜鉛（ＺｎＳ　）等の圧電体３が形成
される。次いで圧電体３表面には所望金属が蒸着法等に
よって付着され、フォトリソグラフィー法により所望形
状に加工されることにより入カドランスジューサ４、出
カドランスジューサ５およびポンプ電極６が形成される
。

さらに入力および出カドランスジューサ４，５にはワイ
ヤボンディング法等により信号入力端子４Ａ、４Ｂおよ
び信号出力端子５Ａ、５Ｂが形成され、入力端子４Ａ、
４ＩＩＣ！気信号を印加することＫより圧電体３に歪が
生じて弾性表面波９が発生して右方のポンプ電極６方向
に伝播していく。

ここで上記媒体ｌは積層体構造から成っているために、
一般にその表面音伝播する弾性表面波の伝播速度と周波
数との間には分散関係がある。

例えば弾性表面波の波長より表面層の厚みが大きい場合
には弾性表面波のエネルギーの大部分が表面層内部ン伝
播するため、弾性表面波は表面層の物質定数から定まる
音速に近い速度で伝播するようになる。一方表面層の厚
みが弾性表面波の波長よりはるかに小さい場合には、弾
性表面波はほぼ下地基板から定まる速度で伝播するよう
になる。

−例として下地基板である半導体基板２としてシリコン
、圧電体３として酸化亜鉛（ＺｎＯ）ｉ用いた場合は、
シリコンの方が酸化亜鉛よりも弾性表面波伝播速度が大
きいので、酸化亜鉛の厚みが一定の時の波数β（ミ２π
／λ、λ：弾性表面波波長）と弾性表面波伝播速度Ｖｓ
との関係はｖ、３図のようになる。

よって弾性表面波の波数βと角周波数ω（角速度＝２π
ｆ）との関係は、第４図のような曲線で示すことができ
る。この曲線上で上記βとωとを同時に満足する弾性表
面波だけが媒体ケ伝播することができる。

ここで入力弾性表面波９がポンプ電極６ン伝播する時、
ポンプ電極６直下のシリコン表面に表面電荷層容量非線
形性等がある場合、この部分ン伝播する上記入力弾性表
面波による圧電ポテンシャルとポンプ電極６に印加され
たポンプ電源７かものポンプ電圧とが上記表面電荷層容
量非線形性を介在してパラメトリック相互作用ン起こし
、新しい波としてアイドラ？＆ヲ生ずる。

上記パラメトリンク相用の起きる条件は、入力波の角周
波数をＣ１および波数ンβ１、新しく発生するアイドラ
波の角周波数ｔω２および波数なβ２、 ポンプ電源７による励振角周波数をω、とした時、 ωｐ０ω１＋ω２　　　　　・・・・・・＋１）β　＝
β１＋β２　（β、よβ１＋β２）・・・（２）ン共に
満足することが必要である。

さらに、新たに発生するアイドラ波のＧ２およびβ２が
第４図の曲線上に位置していることが必要である。

第４図において、１２は入力弾性表面波の波動ベクトル
、１３．１３’はポンプ電源からのポンプ信号の波動ベ
クトル、１４はアイドラ波の波動ベクトル、１５は上記
波動ベクトル１２と波動ベクトル１３′とによるパラメ
トリック相互作用により予想される波動ベクトルン示し
ている。

上記条件を満足しない入力弾性表面波が伝播してもパラ
メトリック相互作用は起きない。例えば第４図において
波動ベクトル１３′に相当する成分があるが、これと入
力弾性表面波との相互作用によって発生すると予想され
る波動ベクトル１５（β３＝−β、−β１．ω２＝ω、
−ω１）は上記伝播条件な満足しない（第４図の曲線上
に位置しない）ので弾性表面波として伝播することはな
い。

以上の結果パラメトリック相互作用により弾性表面波１
０．１１はポンプ電源７からエネルギーン与えられ、互
いに増大して媒体を伝播し出カドランスジューサ５によ
って一気信号に変換されて端子５Ａ、５Ｂから出力され
る。

よって角周波数ω１の信号に対してはこの素子は増幅器
として動作し、出力としては増幅されたωｌの信号およ
び周波数変換されたＧ２の信号が得られる。これらωｌ
およびＧ２の信号は一般に周波数が異なっているため、
外部のフィルター等を通過させることによって分離が可
能である。また出カドランスジューサの形状ン適白に設
計することにより、フィルター特性を持たせて上記両信
号のいずれか一部ン出力させることも可能である。

第１図において波の伝播損失ン小さいとした時、増幅帯
域の中心周波数における増幅利得は、Ｃ１の成分の利得
　Ｇ１”　Ｃ０８ｈ２Ｊ肩石五ＧＬ０．、（３）・・・
（４） で表わされる。

ここでξ１．ξ２は各々ω１．ω２の信号に対するポン
プ信号によるシリコン表面の非線形性の太きさな示し、
Ｃｏ５ｈはハイパーポリツクコサイン、８ｉｎｈはハイ
パーボリンフサインを示している〇上記式（３）、　＋
４）から利得Ｇｌ　ｅ　Ｇ２　Ｙ増大するためには、 １．　バラメトリンク相互作用領域の長さＬ−ｉ太き（
とること、 ２、非線形性の大きさξ１．ξ２χ大きくとること（ポ
ンプ酢力乞大きくすること）、 ３、　信号処理周波数２大きくすること、等の方法が有
効であることがわかる。

またポンプ電源７によるポンプ周波数ωｐＹ設定した時
、増幅利得は周波数依存性Ｚｎし、第５図のよう罠上記
ω１．ω２を各々中心周波数とする二つの帯域幅Ｂ１　
ｒ　　１３２　ｋ持つ帯域通過増幅特性ケ示す。

ここで帯域幅Ｂ】、Ｂ２は１．速度分散の大きさ、２、
信号周波数、３．ボンピングの強さ、４．パラメトリッ
ク相互作用領域の長さＬ、等により変化するので適当に
設計することができる。

上記励振周波数ω、馨変化させた場合、増幅の中心周波
数もそれに対応して変化するので同調周波数乞可変にす
ることができる。

なお前記式（ｌ）、（２）の伝播条件を満足することに
より、信号波とアイドラ波とが逆向きに伝播する場合で
も増幅動作は可能となる。第６図はその場合の特性曲線
を示すものである。

以上においては、媒体として半導体基板および圧電体か
ら成る積層体音用いた例について述べてきたが、原理的
には弾性表面波伝播速度の周波数分散特性７示す媒体と
し又は固体、液体、気体のいずれでもよく、また波とし
ても弾性表面波に限らす静磁波、電磁波、電子ビーム汲
等が伝播する際に外部からのポンプ魅力を周期的な非線
形効果乞通じて印加することによってパラメトリック相
互作用を起こす場合には全て適用できるものである。

以上述べて明らかなように本発明によれば、弾性表面波
の伝播速度が周波数分散特性を示す媒体の表面に励振に
よりパラメータの変化する部分を周期的に設け、上記周
波数分散ｌｖケ性上において一定条件を満足する波が入
力された時のみパラメトリック相互作用ン生じせしめて
その波ヲ上記媒体ン伝播させるように構成したものであ
るから、波動伝播速度の周波数分散特性χ積極的に利用
することで従来欠点火除去することができる。

従来において信号波とア・イドラ波と？同一方向に伝播
させてｍ号増幅を行なうパラメトリック弾性表面波増幅
器で、弾性表面ｔ＆伝播速度に周ｔＩＩ数分散特性χ示
す媒体（積層体構造基板等）を用いた場合は、伝播忙伴
いポンプ／ｌ＆と信号波とアイドラ波との位相関係がず
れるために増幅度が低下するという問題があったが、本
発明によるポンプ方法（励振方法）によれば周波数分散
特性を示す媒体でも十分な増幅度χ待ることができる。

また本発明による増幅器は、伝播条件を満足する成る波
のみビ婬体ケ通過させることができるので増幅動作に周
妓数透択性乞持たせることができるため、ラジオ、無線
器等の通常の高周波増幅回路において必要な四〇、を回
路機能を持た・ぜることができる。

さら罠信号周波数とアイドラ波周波数とχ異ならせるこ
とができるので、簡単な周波数フィルタを用いることに
より各々を容易に分離、検出することができる。なお出
カドランスジューサ自体にフィルタ特性７持たせれば、
特に外部フィルタは不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は共に本発明実施例を示す概略図、
第３図乃至第６図はいずれも本発明を説明するための特
性図である。 ■・・・媒体、２・・・半導体基板、３・・・圧１１１
体、４゜５・・・トランスジューサ、６・・・ポンプ電
極、７・・・ポンプ１温。 第１図 第２図 手続補正書（自発） １　事件の表示 昭和５７年特許論自　第１５３０４５号２　発明の名称 パラメトリック弾性表面波増幅器 ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所 名　称　（１４８）　　クラリオン株式会社４代理人〒
１０５ 住　所　　東京都港区芝３丁目２番１４号芝三丁目ビル
明細曹の発明の詳細な説明の欄 ２π／ｊ）・・・（２月に訂正する８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　弾性表面波の伝播速度が周波数分散特性を示す媒
   体の表面に励振によりパラメータの変化する部分ケ周期
   的に設け、上記周波数分散特性上において一定条件を満
   足する波が入力された時のみパラメトリック相互作用’
   に’ｔＥじせしめてその波ケ」二記媒体を伝播させるよ
   うに構成したことン特徴とするパラメトリック弾性表面
   波増幅器。 ２、上記パラメトリック相互作用を生じせしめる条件が
   、上記パラメータの変化する部分の周期長ｔ！、励埠角
   周波数乞ω１、入力波の角周波数をω１および波数をβ
   １、相互作用の結果発生する波の内周１ｍ数奢ω２およ
   び波■をβ２とした時、ω、＝ω１＋ω２．２に／ｌｌ
   ＝βｌ十β２を満足するような条件から成ることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のパラメトリック弾性
   表面波増幅器。 ３、上記角周波数ω１およびω２の各成分Ｙ分離するこ
   とにより少なくとも一方な出力させるように構成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のバラメ）　
   ＋７ンク弾性表面波増幅器。 ４、上記媒体が圧電体と半導体との積層体から成ること
   乞特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれ
   かに記載のパラメトリック弾性表面波増幅器。 ５、上記パラメータの変化する部分が交差指構造のポン
   プ電極から成ることを特徴とする特ｆＦ請求の範囲第１
   項乃至第３項のいずれかに記載のパラメトリック弾性表
   面波増幅器。