Резонатор устройство: Устройство, принцип работы и ремонт резонатора глушителя

Содержание

зачем нужен, устройство, чем отличается резонатор от глушителя

Назначение резонатора

Вспышка топливной смеси в камере сгорания поршневой системы — это взрыв небольшой мощности. Сопровождается звуком, характерным для такого взрыва. Это знакомо каждому, кто слышал работу любого ДВС без выхлопной системы. При этом давление отработавших выхлопных газов поступает в выхлопную систему импульсами, от вспышки до вспышки. Периодичность импульсов равна периодичности хода каждого поршня от НМТ к ВМТ.

Функция резонатора:

  • выровнять импульсные перепады давления отработавших газов;
  • первично погасить звуковые вибрации, снизить шум;
  • снизить температуру выхлопных газов.

На современных авто стоят катализаторы (нейтрализаторы). Они могут быть установлены как перед резонатором, так иногда и внутри резонатора.

Чем отличается глушитель от резонатора

Задний глушитель принимает от резонатора смягченный по импульсам давления поток газов, с более низкой температурой.

Его задача — окончательно погасить уже приглушенные акустические вибрации (шум) и отвести токсичные газы за пределы авто, чтобы они не попадали в салон или на кузов авто, повреждая поверхности. У резонатора и глушителя несколько разные задачи и нагрузки, потому их конструкция всегда отличается.

Устройство резонатора

У каждой модели ТС, будь то авто, трактор, мопед или какое угодно другое, своя уникальная конструкция выхлопной системы. Общее в устройствах всех резонаторов:

  • входной и выпускной патрубки;
  • расширенная емкость обработки потоков;
  • трубки с отверстиями и деления на камеры внутри;
  • в некоторых моделях звукопоглащающий термостойкий материал, чаще всего базальтовое волокно.

Передовые и хорошо продуманные конструкции современных резонаторов имеют важное свойство. За счет особенностей циркуляции отработанных газов внутри полости резонатора в определенный момент между выхлопами создается разрежение. Оно крайне мало по времени, но помогает вытягивать газы из части системы, стоящей ближе к ДВС. Это помогает избежать загрязнения от нагара и в некоторой степени повышает мощность ДВС.

Неполадки в работе резонатора

Вся система отвода выхлопных газов работает в крайне агрессивных условиях:

  • высокая температура;
  • попадание влаги на раскаленные поверхности;
  • воздействие противоледных реагентов;
  • вибрации, риск механических повреждений о бордюры, камни и т.д.

Причем резонатор принимает более горячий первичный поток отработанных газов, чем задний глушитель. Температура выхлопных газов может достигать 700Со. Некачественные сплавы при таких температурах быстро выгорают, коробятся, ржавеют от попадания влаги и реагентов. А попадание влаги на раскаленную поверхность может вызвать коробление всей конструкции, если она выполнена из неподходящего сплава. Лучшим материалом для таких систем считается нержавеющая сталь в сплаве с металлами и компонентами для повышения стойкости.

Самые обычные неполадки резонатора:

  • Расстыковка соединения резонатора с предыдущими и последующими деталями системы.
  • Разрушение внешней оболочки.
  • Засорение нагаром внутренних деталей, полостей трубок и отверстий, камер и проходов.
  • Разрушение внутренних деталей от выгорания.

Проверка резонатора

Нарушения в работе резонатора всегда заметны. Разрушение внешней оболочки приводит к явному усилению шума при работе двигателя. Место разрушения диагностируется простым визуальным осмотром. Авто ставят на смотровую яму и внимательно осматривают. Причем разрушение может быть, конечно, не только в резонаторе.

Также проверяется расстыковка патрубков. В основном она происходит из-за механического удара или полного выгорания внутренних диаметров патрубков, там, где резонатор соединен с другими деталями.

Разрушение внутренних деталей также приводит к изменению звука работающего двигателя, причем всегда в сторону увеличения шума.

Заполнение внутренних деталей нагаром проявляется противоположными признаками:

  • Двигатель начинает работать тише.
  • Мощность двигателя теряется, иногда значительно.

Последний момент особо важен. Здесь сказываются принципиальные особенности работы всех без исключения выхлопных систем. На то, чтобы преодолеть сопротивление проходу выхлопных газов от выхлопных окон цилиндров через выхлопную систему, требуется давление. На создание этого давления тратится часть мощности любого ДВС. Чем труднее проход газов через выхлопную систему, тем больше мощности уходит на преодоление этого сопротивления. Когда проходы и отверстия трубок резонатора забиты нагаром, двигатель душится и не может работать в полную мощь. При этом. если резонатор забит сильно, облачка дыма могут появляться перед ним, например, на месте стыка его с коллектором.

Резонатор может забиваться нагаром чаще и больше, чем другие детали системы по следующим причинам:

  • Задний глушитель получает выхлопы с меньшим количеством сажи, часть её остается в резонаторе.
  • В коллекторе перед резонатором сажа выгорает из-за высочайших температур.

В любом случае диагностика неполадок резонатора всегда достаточно проста.

Виды автомобильных резонаторов

Резонаторы на разных транспортных средствах отличаются по:

  • Размерам. Могут быть длинными или короткими, круглыми или овальными.
  • Сплавам, из которых изготовлены.
  • Внутренней конструкции, её сложности. Простые называют моноблочными. Сложные — комбинированными.

Самые большие отличия между резонаторами для двухтактных и четырехтактных ДВС. Первые просты и даже примитивны, вторые на порядок сложнее. Причем чем дальше идет прогресс авто, тем сложнее, но эффективнее становятся выхлопные системы, включая резонаторы.

Резонатор своими руками

Дорогие авто и самодельные резонаторы на них — понятия малосовместимые. Для таких авто заказывают, как правило, оригинальные детали от производителя. Но на большинстве самых массовых авто это не самая сложная деталь. Имея доступ к необходимому металлообрабатывающему и сварочному оборудованию, её вполне можно изготовить собственными силами. Но для корректной работы ДВС дубликат должен точно имитировать оригинал. Каждый резонатор рассчитывается для работы в паре с определенным глушителем. Изменение конструктивных параметров любого изделия из этой пары может привести к самым непредсказуемым изменениям в работе ДВС. Он может либо задыхаться, либо работать слишком громко.

К тому же нельзя сделать резонатор из обычной жести. Он быстро выйдет из строя.

Чаще всего резонаторы не делают полностью своими силами, а подгоняют от других моделей по размерам и креплениям. Иногда это оправданно. Например, если резонатор вышел из строя у почти раритетного импортного микроавтобуса. Запчастей нет. Такая машина без лишних претензий. На неё можно подогнать доступный передний глушитель, например, от «Газели».

Вполне доступен локальный ремонт своими силами прогоревшей внешней оболочки. Задача простая — залатать дыру. Последовательность такого ремонта:

  • Применяется специальная термостойкая мастика с отвердителем. Участок с поврежденной поверхностью зачищают наждаком и обезжиривают, согласно инструкции по применению мастики.
  • Наносят термостойкую мастику, разведенную с отвердителем, также согласно инструкции по её применению.
  • На поврежденное место накладывают пластину из металла, который можно без труда изогнуть по форме резонатора.
  • Пластина крепится с помощью саморезов по металлу (наконечник-сверло) или по просверленным отверстиям сверлом меньшего, чем саморезы, диаметра.
  • Двигатель заводят после полного застывания мастики, согласно сроку, указанному в инструкции.

Но чаще всего такие заплатки ставят при помощи сварки.

Использование обеих способов возможно, только когда повреждение локально, а весь корпус остается крепким.

То есть тогда, когда есть к чему крепить заплату. Поэтому, прежде чем принять решение о таком ремонте, надо прощупать прочность всего корпуса острым металлическим предметом. Полностью пришедший в негодность резонатор проткнется во многих местах.

Снятие и установка резонатора

Вначале нужно обеспечить свободный доступ к днищу автомобиля. Его ставят на эстакаду, смотровую яму или поднимают домкратом. В последнем случае под колеса с обеих сторон подкладывают стандартные башмаки, кирпич или бруски, чтобы не случилось скатывания. А опору домкратом обазательно дублируют опорой из надежных стоек — деревянные пни и т.п.

Демонтаж

Все элементы выхлопной системы крепятся на хомутах с помощью обычных болтов с головками под ключ на 13,14, или 17. Но если на новой машине резьбы не были предусмотрительно обработаны термостойкой смазкой (например, медной), то на машине возрастом от 3 лет и более для демонтажа резонатора потребуются инструменты для спиливания или срыва гаек и болтов. Из-за агрессивной среды, о которой говорилось выше, резьбы разрушаются очень быстро. Вначале можно обработать резьбы средствами типа WD и попытаться открутить обычным способом. Но при демонтаже нужно быть готовым к тому, что это грязная работа, требующая больших усилий. К тому же травмоопасная:

  • Ключи срываются с головок, и рука может пораниться, задев острые металлические детали. Нужно использовать прочные рукавицы или перчатки и предусмотреть, куда двинется рука в случае срыва ключей.
  • Грязь с днища авто может осыпаться и попасть в глаза. Нужно использовать защитные очки.

Монтаж

Ставить на место новый или отремонтированный резонатор — более чистая работа, чем демонтаж. Все сорванные и некачественные болты и хомуты меняются на новые. Резонатор ставится точно так и туда, где он был. Резьбы новых болтов желательно защитить медной смазкой.

В процессе эксплуатации резонатор не требует технического обслуживания. При возникновении проблем он как бы сам сообщает о них владельцу повышенным ревом или, наоборот, снижением мощности ДВС и шума. Это не такая труднодоступная часть, как коленвал. И замена не требует много времени. Поэтому проблемы с резонатором вполне устранимы.

⭐ Резонатор в выхлопной системе. Функции. Расположение.Принцип работы и типы резонаторов

Резонатор выхлопной системы – это компонент, который необходим для гашения низкочастотных звуков, связанных с работой мотора. Владельцам машин полезно знать, где расположен этот узел в их авто, а также какие проблемы могут возникнуть в процессе его эксплуатации. Его поломка не считается критичной, но сопряжена с огромным количеством неудобств не только для водителя, но и для людей, которые находятся вокруг. О способах устранения возникающих проблем, вариантах устранения и монтажа агрегата, будет рассказано далее.

Функции

Где расположен резонатор

Конструкция

Убрать резонатор: что будет?

Принцип работы и типы резонаторов

Неполадки в работе резонатора

Функции

Сначала можно разобраться, зачем нужен резонатор в выхлопной системе автомобиля. Базовая задача у него – гашение низкочастотных звуков, которые связаны с отработкой газов и их продвижением по системе газоотвода. Существует несколько причин возникновения значительных шумов при эксплуатации автомобиля: они образуются при расширении газов в процессе нагрева, шум формируется из-за вибрации составных компонентов выхлопной системы. Звук, формирующийся при покидании выхлопами камеры сгорания, устраняется резонированием. Именно в этом состоит базовая функция описываемого компонента авто.

Резонатор выхлопной системы автомобиля используется для повышения полезной мощности мотора. Для этого специально дорабатываются спортивные авто, где штатный резонатор устраняется, а на его место ставится более совершенный вариант, устанавливаемый сразу за прямотоком.

Понижение температуры выхлопов – это еще одна особенность, ведь это обеспечивает более длительный период эксплуатации самого глушителя и выхлопной системы в целом. Вредность выбросов тоже заметно снижается.

Где расположен резонатор?

Автомобильный резонатор функционирует совместно с глушителем и необходим для снижения скорости выхлопов, которые вылетают в результате отработки в моторе. Это возможно за счет физического закона, соответственно которому газы, способные стремительно перемещаться в узкой трубе при проникновении в пространство большего объема утрачивают первоначальную скорость и энергию. Система отвода отработанных газов имеет сложное устройство, соответственно которому резонатор расположен перед главным глушителем, то есть он служит первым звеном звукового глушения. Главная задача – предварительное снижение шума и уравновешивание пульсации потока выходящих газов.

Среди автовладельцев для него есть особое название – средний глушитель, так как физически он размещен посередине днища авто. Но это неверно, так как принцип работы устройства радикально отличается от глушителя. Резонатор имеет возможность для освобождения выхлопа мотора от газов и выравнивания давления — это обеспечивает малое сопротивление их перемещению, возникает возможность для использования всей полезной мощности мотора.

Конструкция

Устройство резонатора выхлопной системы не имеет каких-то сложностей. В его составе имеется труба с перфорацией, размещенная в металлическом корпусе. В устройстве имеется дроссельное отверстие, используемое для увеличения эффективности гашения волновых колебаний в трубе. В резонаторе есть полость, которая разделена на несколько участков перегородками, установленным поперек трубы. Современные приспособления снабжены теплоизоляцией и звукоизоляцией, находящейся под корпусом, чтобы они эффективнее снижали температуру и звуки.

Различные объемы полостей необходимы для формирования периодического расширения и сужения потока отработанных газов, а это обеспечивает выравнивание их пульсации, которая изначально неравномерная. Резонансная частота каждой камеры отличается от остальных. Дополнительно используется их малое смещение по отношению к оси корпуса. Это требуется для достижения смены направления выхлопного потока. Внутри трубы есть перфорация, задача которой состоит в гашении большой амплитуды звуковых волн, создаваемых газами.

Работа резонатора выхлопной системы находится в зависимости от нескольких факторов:

  • Герметичность узла и степень его износа;
  • Уровень загрязненности от нагара – новое чистое приспособление работает с повышенной эффективностью;
  • Диаметр – КПД прибора тем больше, чем больше у него диаметр.
Убрать резонатор: что будет?

Резонатор выхлопной системы не стоит убирать по нескольким причинам:

  • Функционирование системы удаления выхлопа станет намного громче, звук заметно превзойдет нормы, которые считаются приемлемыми для человека, он станет противен. Это актуально для низких частот звучания.
  • Топливный расход существенно возрастет, ведь сбиваются базовые настройки.
  • Есть прямая связь между глушителем и резонатором, поэтому первый выйдет из строя при устранении второго, что сопряжено с увеличением температуры выхлопов, выходящих из системы.
  • Мощность ДВС упадет, так как ударные волны внутри системы распределяются неверно.

Отказаться от резонатора допускается исключительно в случае, когда выполняется комплексный тюнинг выхлопной системы с подстройкой и монтажом новых компонентов. Но автовладельцы часто избавляются от данного компонента по другим причинам – резонатор помялся или прогорел, а возможности установить новый нет. Такая стратегия ошибочная, так как последующие расходы на эксплуатацию авто будет заметно выше, чем покупка новой детали.

Принцип работы и типы резонаторов

Устройство резонатора выхлопной системы обеспечивает ему работу следующим образом:

  • Выхлопы формируются в камере сгорания машины;
  • Посредством выпускного клапана они передаются далее и выводятся из цилиндра;
  • Газы движутся с повышенной скоростью по выпускному коллектору и трубе, а их температура составляет до 650 градусов при этом;
  • Выхлопы оказываются в катализаторе, а потом проникают в резонатор – свободную полость, имеющую от одной до нескольких камер внутри. Внутри есть трубки с отверстиями. При прохождении сквозь них волн происходит охлаждение газов.

Конструировать резонатор для спортивных авто – это наиболее сложная задача, ведь данное устройство одновременно должно понижать шумовой уровень и не формировать препятствий для движения выхлопов.

Сейчас выпускаются не только обычные резонаторы, но и усовершенствованные модели. Между их слоями есть оболочка с теплоизоляцией, чтобы защищать кузов от перегрева дополнительно. Используются и комбинированные приспособления, в составе которых есть две части: традиционная и заполненная базальтовым волокном либо альтернативным шумопоглотителем.

Неполадки в работе резонатора

Автомобильный резонатор, как и все остальные компоненты, способен выйти из строя по тем или иным причинам. Он пропускает сквозь себя большой объем выхлопов, имеющих повышенную температуру, обычно несколько сотен градусов. Дополняет негативное воздействие наличие агрессивных химических элементов, представленных в выходящем выхлопе, это становится причиной того, что металлические детали корпуса постепенно прогорают.

О поломке резонатора можно судить в том случае, если возникают такие признаки:

  • Глушитель и выхлопная система стали работать хуже. Это можно проверить по возросшему звуку, который исходит из выхлопной трубы, особенно актуально для низкочастотных звуков (рев).
  • Из-под днища машины выходят выхлопы. Это явный признак того, что резонатор разгерметизирован.
  • Со стороны резонатора можно слышать характерный дребезжащий звук. Он возникает из-за того, что прогорает один или несколько компонентов, находящихся внутри устройства. В таких случаях наблюдается его болтание или грохот в одной из камер.
  • Мощность мотора значительно падает. Возникшая неисправность становится причиной сильного падения пропускной способности резонатора, поэтому он заметно хуже либо совсем не гасит неравномерные пульсации выхлопов. Это приводит к ухудшению функционирования агрегата.

Если отмечается один или несколько из перечисленных признаков неполадки, то требуется как можно скорее выполнить ревизию работы резонатора. Практика показывает, что этот узел выхлопной системы лучше не ремонтировать, а полностью заменить. Это особенно актуально для авто, пробег которых достаточно велик.

Что такое резонатор выхлопной системы

Работа двигателя на автотранспортных средствах, если говорить про ДВС, сопряжена с выработкой достаточно сильного шума. Но этот шумовой эффект водитель, его пассажиры, а также люди на улице практически не слышат.

Так было далеко не всегда. Первые машины, работающие на двигателях внутреннего сгорания, были очень шумными, создавали много дыма, а потому это становилось настоящей проблемой. Но решение через некоторое время придумали.

Каждый современный автомобиль обязательно оснащается глушителем. Уже из названия становится очевидно, что главной функцией глушителей является гашение и подавление шумов и звуков, возникающих от работающего мотора.

Система выхлопа устроена достаточно сложно, несмотря на кажущуюся простоту выполняемых функций. В её состав входит несколько элементов, одним из которых выступает резонатор. Относительно него у автолюбителей возникают вопросы. Их интересует, что это такое, зачем устанавливается и какие задачи выполняет в работе системы выхлопа и всего автомобиля.

Что это такое

Для начала следует разобраться, что такое резонатор в современном автомобиле и в чём задача этой детали выхлопной системы автотранспортного средства.

Резонатор глушителя или просто резонатор является неотъемлемой частью системы, отвечающей за вывод выхлопных газов работающего автомобиля. Учитывая то, как выглядит этот резонатор, многие называют его дополнительным глушителем. Он действительно похож на глушитель, но не является таковым. Это лишь часть системы выхлопа.

Не все до конца понимают, что же такое резонатор в машине с двигателем внутреннего сгорания. Часто его позиционируют как узел для снижения уровня шума работающего мотора. Но по факту это вторичный эффект, который достигается за счёт выполнения основной функции резонатора. Она заключается в обеспечении ровного потока отработанных газов по всей системе выхлопа автотранспортного средства.

Когда мотор работает, вне зависимости от количества совершаемых оборотов двигателя, в коллекторе образуются так называемые прерывистые параметры давления газа. Во многом на их частоту влияет количество цилиндров в ДВС и оборотов, совершаемых коленчатым валом. Резонатор позволяет как раз устранять эти прерывистые параметры или уровни давления.

Зачем используются резонаторы

Теперь более конкретно относительно того, для чего нужны резонаторы в автомобилях. Уже название даёт понять, что этот элемент отвечает за резонирование шума или звуковых потоков, которые образуются в процессе работы мотора.

Если говорить простым языком о том, зачем резонатор в выхлопной системе, то это гаситель звуковых колебаний в момент, когда выхлопные газы выходят из камеры сгорания. Но это далеко не все функциональные возможности компонента. На деле резонаторы выполняют одновременно несколько задач, хотя основной считается именно резонирование, либо гашение звуков. Преимущественно низкочастотных.

Специалисты утверждают, что резонатор в конструкции выхлопной системы служит не только для отвода газа и снижения уровня шума. Ещё один момент, для чего служит устройство, заключается в повышении полезной мощности силовой установки. Не зря спортивные автомобили подвергаются специальным доработкам, где стандартный резонатор меняется на более эффективный вариант. В таких случаях размещение элемента происходит непосредственно за прямотоком.

Прямоточная система выхлопа

Крайне важной функциональной особенностью резонатора является его способность снижать температуру выходящих выхлопных газов. Тем самым заметно продлевается срок службы всей системы и глушителя в частности.

Как дополнение можно отметить факт снижения уровня вредных выбросов за счёт участия резонаторов в работе выхлопной автомобильной системы.

Учитывая функции и назначение этого элемента, возникают вопросы касательно того, можно ли убрать из автомобиля резонатор, что произойдёт и какие последствия возможны. Некоторые считают удаление такого элемента глупостью. Но есть далеко не один такой водитель, который убирал конструкцию.

Для ответа на этот вопрос следует учесть, что будет при эксплуатации автомобиля без резонатора. Произойдёт следующее:

  • значительно усилится звук работы выхлопной системы. Иногда он превышает все допустимые нормы, становится крайне неприятным и шумным. Во многом уровень шумности зависит от мощности двигателя и его оборотов;
  • особенно заметным повышение шумности будет при низкочастотном диапазоне. Именно гашением низких звуков занимается резонатор;
  • повысится температура выходящего выхлопного газа, который проходит через глушитель автомобиля. Это существенно снижает срок его службы. В скором времени глушитель придётся менять;
  • нарушится штатное распределение ударных волн в газовой среде. Параллельно поменяются зоны разряжения. Всё это ведёт к заметным потерям двигателя по мощности;
  • настройки по расходу топлива также нарушатся. Это приведёт к увеличению потребления горючего.

Полностью отказаться от использования резонатора можно только в определённых ситуациях, когда проводится комплексный тюнинг выхлопной системы с установкой дополнительных элементов и специальной настройкой. Если просто вынуть из выхлопа резонатор, и продолжить эксплуатировать автомобиль в таком состоянии, ничего кроме повышенного шума и ускоренного износа со всеми вытекающими последствиями это не даст.

Составляющие конструкции

Как уже ранее отмечалось, внешне резонаторы очень напоминают глушители. Из-за этого их легко перепутать новичку. А более опытные автомобилисты называют резонаторы малыми или дополнительными глушителями.

В действительности конструктивно это довольно сложный элемент, включающий в себя несколько слоёв. Причём каждый из этих слоёв отвечает за выполнение определённой функции.

Если познакомиться с устройством резонаторов автомобиля в разрезе, то действительно можно заметить существенное внешнее сходство со стандартным штатным глушителем транспортного средства.

Стоит внести некоторые уточнения относительно того, как устроен в автомобиле резонатор глушителя:

  • конструкция представлена в виде нескольких камер, которые разделены между собой специальной сеткой;
  • такое строение позволяет постоянно сужать и расширять потоки выходящих газов. Важно отметить, что выход газа происходит резкими рывками. Резонатор выравнивает эти рывки, что позволяет на выходе получить равномерный поток выработанного газового выхлопа;
  • камеры внутри немного смещены, что позволяет менять направление движения выхлопа, тем самым сглаживая неравномерную пульсацию;
  • гашение частоты выхлопа происходит за счёт внутренней перфорации. С её помощью уровень шумности снижается.

Свои задачи автомобильный резонатор выполняет благодаря конструкции, которая предусматривает наличие большого количества закрытых полостей, соединённых друг с другом при помощи трубопровода и множества перфораций, то есть отверстий.

Предусмотренные конструкцией отверстия позволяют вызывать разночастотные колебания, меняющиеся за счёт трения.

Что же касается расположения, то этот элемент выхлопной системы устанавливается непосредственно между приёмным коллектором или нейтрализатором и штатным глушителем.

Но расположение может несколько отличаться. Это зависит от конкретно модели автотранспортного средства и производителя.

Важно понимать, что образующийся в двигателе газ при сгорании топливовоздушной смеси имеет огромную температуру. При этом функция резонатора автомобиля заключается в том, чтобы её снижать, уменьшая тепловую нагрузку на глушитель и идущие после резонатора элементы выхлопной системы.

Теперь что касается того, какая температура на выходе из камеры сгорания и под какими тепловыми нагрузками работает малый глушитель. В зависимости от конкретной автомобильной системы, температура может достигать отметки более 650 градусов Цельсия. После возгорания, отработанный газ идёт на впускной коллектор при экстремально высоких температурных показателях.

Доходя для резонатора глушителя автомобиля, температура снижается не так сильно. Потому крайне важно, чтобы резонатор изготавливался из высококачественных и жаропрочных материалов. При эффективной работе самого резонатора, он способствует падению температуры, благодаря чему нагрузка на глушитель оказывается существенно меньше. Это продлевает срок его службы и сохраняет в целостности всю выхлопную автомобильную систему.

Виды

Резонаторы или дополнительные глушители классифицируют в зависимости от того, на двигателях какого типа они используются.

Потому различаются 2 основных вида устройств.

  1. Предназначенные для установки на двухтактные двигатели. Если транспортное средство оснащается подобным мотором, что в наше время встречается не так часто, то резонатор становится обязательным элементом компоновки выхлопной системы. Если резонатор будет отсутствовать, это моментально приведёт к увеличению количества потребляемого топлива. Изменится работа мотора в худшую сторону, снизится скорость и мощность. Это обусловлено тем, что удаляться будет не только отработанный выхлопной газ, но также и не до конца сгоревшее топливо. Отсюда падение скорости параллельно с увеличением расхода топлива.
  2. Резонаторы, устанавливаемые на четырёхтактные силовые установки. В случае с такими двигателями резонатор может сыграть не на пользу автомобилю, а создать определённые дополнительные проблемы. Демонтаж позволяет увеличивать уровень мощности двигателя примерно на 15%. Опытные автомобилисты считают, что на четырёхтактных моторах резонатор только мешает нормальной работе двигателя. Да, если его убрать, мощность действительно повысится. Но одновременно ухудшится экологичность транспортного средства, выхлоп начнёт загрязнять окружающую среду. Потому на 4-тактных моторах всё равно стоят резонаторы, позволяющие достичь требуемых экологических норм.

Есть ещё одна дополнительная классификация, которая различает резонаторы по их конструктивным особенностям.

На некоторые автомобили устанавливаются стандартные элементы моноблочного типа. Но постепенно практически все переходят на комбинированные устройства.

Второй тип резонаторов состоит из двух основных частей. Это классическая конструкция с трубой и перегородками, а также камера, заполненная специальными материалами, обладающими свойствами шумопоглощения. Зачастую в конструкциях используют материалы на основе базальтового волокна.

Комбинированные устройства являются более эффективными, современными и полезными в работе автомобильных двигателей и выхлопных систем. Потому на большинстве автотранспортных средств встречаются именно такие типы резонаторов.

Малые глушители или резонаторы глушителя разделяют по их размерам. Различают следующие подкатегории:

  • короткие;
  • средние;
  • длинные.

Ещё иногда классифицируют резонаторы в зависимости от их объёма. Это полезный способ классификации, поскольку во многом именно от объёма зависит, насколько эффективным окажется резонатор в конструкции автомобильной выхлопной системы. Если будет наблюдаться дефицит объёма в резонаторе, то в момент резкого нажатия водителем на педаль газа уровень шума окажется крайне высоким. Кому-то этот звук нравится, а потому специально устанавливаются резонаторы. Но из соображений безопасности системы выхлопа, а также из уважения к окружающим людям, лучше устанавливать устройств с достаточным рабочим объёмом.

Резонаторы или малые глушители изготавливаются из различных материалов. Наиболее бюджетные конструкции создают на основе алюминированной стали. Хотя в действительности это самая простая сталь, поверх которой наносится небольшой слой алюминия. Выглядят, как полноценно алюминиевые, но по факту не способны выдерживать значительные нагрузки. Требуют более частой замены. Слой алюминия только временно предотвращает образование коррозии на устройстве.

Резонатор глушителя автомобиля

Если автомобилист хочет получить действительно качественный, долговечный и эффективный резонатор, когда стандартный заводской элемент не устраивает или износился, оптимально выбирать конструкции на основе нержавеющей стали с двойным корпусом.

Выхлопная система постоянно подвергается сильным нагрузкам в виде высокой температуры. В результате периодически происходят сбои в нормальной работе всего автомобиля. Чтобы поломка резонатора или иного компонента не стала неожиданностью для автовладельца, настоятельно рекомендуется проводить профилактическую проверку и диагностику работоспособности узла. Заметив первичные признаки неисправностей, можно своевременно принять меры, провести ремонтно-восстановительные работы или просто полностью заменить вышедший из строя резонатор.

Отличия резонатора и пламегасителя

Можно довольно часто встретить рассказы автомобилистов, которые устанавливали в выхлопную систему своего транспортного средства пламегаситель. Но не все знают, что это такое и чем вообще отличаются резонатор от пламегасителя.

Некоторые утверждают, что единственным отличием является название. Другие заявляют о существенной разнице между этими двумя элементами. Следует разобраться в вопросе более детально.

Существует устройство, которое почему-то в России и странах СНГ часто называют пламегасителем. Начнём с того, что элемент не гасит пламя. Отсюда и возникают вопросы относительно странного названия. Но в выхлопную систему конструкция действительно устанавливается.

Причём пламегасители размещают непосредственно за приёмной трубой. По факту эта конструкция выполняет задачи дополнительного резонатора. Но тут стоит внести некоторые поправки.

В России экологические нормы далеко не такие строгие, как в Европе. Из-за этого довольно часто на машинах можно встретить ситуации, как на законное место каталитического нейтрализатора, то есть катализатора, устанавливают пламегаситель. Хотя катализатор позволяет как раз снизить уровень вредных выбросов в нашу с вами атмосферу.

По выполняемой роли в выхлопной системе автотранспортного средства пламегаситель действительно во многом напоминает резонатор. К его основным функциям можно отнести реализацию следующих задач:

  • частично компенсирует импульсы, которые возникают при детонации топливовоздушной смеси внутри камер сгорания;
  • частично компенсирует шумовые или звуковые волны низкочастотного диапазона;
  • упорядочивает перемещение отработанного газа;
  • снижает температуру отработанного газа.

Теперь что касается непосредственно интересующих нас отличий между резонатором и так называемым пламегасителем.

Разница в 2 основных вещах:

  1. Пламегасители обязательно должны изготавливаться из высококачественных материалов. Это обусловлено его установкой непосредственно за приёмной трубой. Потому на гаситель воздействуют существенные температурные нагрузки и колебания. Если материал будет некачественным, элемент быстро выйдет из строя.
  2. Резонатор эффективнее компенсирует звуковые волны, нежели пламегаситель. Ведь прямая обязанность резонатора как раз и заключается в том, чтобы компенсировать пиковые звуковые волны, упорядочивать звук, прежде чем он пойдёт в глушитель.

Учитывая эти факторы, можно сказать, что каждый элемент выполняет возложенные на него функции. Пламегаситель и резонатор вовсе не являются синонимичными устройствами. Это несколько разные элементы выхлопной системы автотранспортного средства. Но сходство между ними действительно есть.

https://www.youtube.com/watch?v=AAxiR70dKgM

Признаки неисправностей резонатора

Напоследок хочется добавить несколько слов относительно того, как можно определить возникновение неисправностей в работе резонатора.

Любые поломки, связанные с этим элементов, приводят к падению мощности двигателя, повышают уровень шума и способствуют увеличению расхода топлива.

Определить неполадки можно по нескольким характерным признакам. А именно:

  • заметно повысилась громкость в работе выхлопной системы. Каждый автовладелец знает, насколько громко или тихо работает его выхлоп. Если же звук возрастает, глушитель функционирует слишком шумно, то это прямой признак выхода из строя резонатора. Он не справляется со своими задачами, а потому на глушитель выходит сильный шум, который не был предварительно погашен;
  • звук дребезжания металла. Он доносится от места, где располагается узел резонатора. В такой ситуации высока вероятность того, что один из внутренних компонентов резонатора под воздействием температурных нагрузок уже прогорел полностью;
  • падает мощность двигателя. Водитель нажимает на педаль газа, но не получает привычную отдачу. Разгон происходит медленнее, при этом растёт количество потребляемого топлива. Эти признаки характерны в случае снижения пропускной способности малого глушителя, то есть резонатора на автомобиле.

Если начал проявляться хотя бы один из перечисленных признаков, либо сразу несколько, требуется проверить состояние резонатора.

В зависимости от результатов проверки, можно обойтись мелким ремонтом, частичной заменой, либо же полной сменой вышедшего из строя резонатора.

Когда резонаторы прогорают, пытаться их запаять и заварить сварочным оборудованием не рекомендуется. Лучше заменить деталь полностью. Дополнительно следует узнать, почему элемент вышел из строя раньше положенного срока.

При грамотной эксплуатации резонаторы служат очень долго и не требуют периодической замены. Но в определённых условиях износ может наступить раньше времени. И тогда оптимальным решением проблемы станет замена.

«Заходит как-то жидкий кристалл в оптический резонатор»: новое исследование Сколтеха по моделированию перспективных оптоэлектронных устройств

Исследователи Сколтеха и их коллеги из Великобритании и Польши предложили фотонное устройство, состоящее из двух оптических резонаторов на жидких кристаллах, и исследовали оптические свойства этой системы, которую в перспективе можно будет применять в оптоэлектронных и спиноптронных устройствах следующего поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

Лаборатория фотоники в Сколтехе

Простейший оптический резонатор состоит из двух расположенных друг напротив друга зеркал, между которыми происходит отражение света. Если вы оказались между двух зеркал, вы увидите бесконечное количество своих отражений, а если в гораздо меньший по размеру, но чуть более сложный зеркальный резонатор поместить жидкий кристалл, например, кристалл экрана компьютера и смартфона, эффект окажется еще интереснее. Ориентацию молекул жидкого кристалла можно менять, воздействуя на них с помощью электрического тока. В данной работе исследователи использовали этот эффект, что позволило им не только управлять характеристиками светового излучения внутри резонатора, но и, в некотором смысле, при помощи фотонов «смоделировать» работу привычных электронных устройств.

«Сегодня один из главных трендов в физике – это переход от традиционных электронных вычислительных систем к фотонным, что позволит не только значительно увеличить скорость обработки и передачи информации, но и существенно сократить энергопотребление. Именно поэтому в настоящее время огромный интерес у исследователей вызывают различные типы настраиваемых фотонных архитектур, имитирующих свойства их электронных аналогов», − рассказывает первый автор статьи студент магистратуры Сколтеха Павел Коханчик.

Павел Коханчик, профессор Сколтеха Павлос Лагудакис и их коллеги решили проверить, что произойдет, если два оптических резонатора с жидкими кристаллами разместить очень близко – всего в нескольких микрометрах друг от друга. Исследователи предположили, что у такого двойного микрорезонатора появятся новые свойства, отличные от тех, что присущи отдельному жидкокристаллическому микрорезонатору, которому было посвящено недавнее исследование, проводившееся в сотрудничестве с коллегами из Варшавского университета.

Оказавшись запутанными благодаря общему «бассейну» фотонов, резонаторы начинают вести себя подобно двум маятникам. Если маятники находятся на малом расстоянии друг от друга, они начинают двигаться синхронно и с одинаковой частотой. Исследователи установили, что в подобном случае у света появляются новые свойства, изучением которых занимается топологическая физика. Поскольку эти свойства поддаются тонкой настройке, созданное устройство позволяет имитировать большее количество физических систем как для целей фундаментальных исследований, так и для практических применений.

«Наша работа – лишь один маленький шаг в освоении огромной области исследований, посвященной изучению фотонных аналогов электронных твердотельных систем. За фундаментальными исследованиями непременно последует новый этап, целью которого станет миниатюризация этих устройств, серийное производство устройств на кристалле, а затем их интеграция в устройства повседневного использования. Но пока все это представляется лишь очень отдаленной перспективой», − отмечает Павел Коханчик.

Ученые планируют создать экспериментальную модель двойного жидкокристаллического резонатора для демонстрации богатого спектра физических свойств и эффектов, описанных в статье, а также продолжить исследование аналогичных систем с двойными микрорезонаторами, в том числе в режиме сильной связи между светом и веществом.

Работа проводилась с участием ученых Саутгемптонского университета (Великобритания) и Института экспериментальной физики Варшавского университета (Польша).

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

*protected email* *protected email*

Резонаторы грузовых автомобилей — устройство, неисправности, ремонт

Резонатор глушителя — один из важных компонентов системы, которая обеспечивает отвод выхлопных газов от работающего двигателя внутреннего сгорания. Устанавливается на грузовые машины, внешне напоминает глушитель небольшого размера. Выполняет несколько важных функций для комфорта при поездке и работоспособность самого автомобиля. Позволяет снизить уровень шума, который двигатель создает при работе, обеспечить равномерный поток отработанных газов по всей выхлопной системе автомобиля.

Такая необходимость связана с тем, что поток выхлопных газов будет неравномерен. Частота его изменения зависит от особенностей конструкции мотора, количества оборотов коленвала. Это приводит к неравномерной работе двигателя, быстрой утрате эксплуатационного ресурса. Для устранения этой проблемы и предназначен резонатор.

Какие функции выполняет

Специалисты считают, что за счет установки резонатора удается решить следующий круг дополнительных задач:

  • Обеспечение своевременного и равномерного отвода выхлопных газов из блока цилиндров.
  • Повышение уровня выдаваемой двигателем полезной мощности.
  • Снижение выбросов в окружающую среду вредных продуктов сгорания топлива.

Конструктивная схема предполагает установку резонатора сразу за прямотоком, чтобы обеспечить поступление газов непосредственно в него. От качественных характеристик этой детали будут зависеть ходовые свойства грузового автомобиля.

Конструкция резонатора

Устройство резонатора довольно простое. Он представляет собой деталь в металлическом корпусе с трубой, которая перфорирована по всей длине. Чтобы гасить волновые колебания более эффективно — предусмотрено дроссельное отверстие.

Внутреннее пространство разделено перегородками на несколько полостей, у которых объем отличается. Перегородки устанавливаются в поперечной к трубе плоскости. Современные модели резонаторов дополнительно комплектуются звуко- и теплоизолирующим материалом, который размещают под корпусом. Такое решение позволяет снизить степень нагрева детали, уменьшить уровень шума, создаваемого двигателем при работе.

Разный объем внутренних полостей необходим для того, чтобы обеспечить периодическое расширение потока выхлопных газов. Это позволит ликвидировать неравномерность его пульсации. Каждая камера отличается собственной частотой резонанса, реализовано и смещение отсеков относительно центральной оси резонатора. За счет этого удается периодически менять направление потока газов. Перфорированная труба в конструкции необходима для уменьшения амплитуды волн звука, которые образуются при прохождении выхлопов.

То, насколько эффективно будет работать резонатор, зависит от таких факторов:

  • Диаметр, с увеличением которого удается повысить КПД конструкции.
  • Наличие и количество нагара, который необходимо убирать, чтобы повысить эффективность.
  • Герметичность конструкции, существующая степень износа.

Практика показала, что старые и поврежденные резонаторы теряют способность выполнять основные функции.

Какие резонаторы применяют

Выбор детали зависит от типа двигателя. Для 4-тактных и 2-тактных силовых агрегатов применяют резонаторы с отличающейся конструкцией. Отметим, что и действие оборудование будет отличаться. Применение 4-тактного устройства приводит к снижению количества оборотов коленвала, при демонтаже резонатора этот показатель возрастает.

С 2-тактными системами ситуация противоположная. При демонтаже устройства снижается мощность двигателя, из-за чего возрастает расход горючего. В результате этого ухудшаются скоростные характеристики автомобиля, а стоимость каждого километра пробега возрастает.

По каким признакам можно определить неисправности резонатора

Даже незначительные повреждения резонатора глушителя повышают уровень шума, снижают мощность двигателя. Судить о состоянии устройство можно по ряду характерных признаков, отметим самые распространенные:

  • В месте расположения резонатора появился дребезжащий шум металлического характера. Это случается тогда, когда прогорает один из внутренних отсеков.
  • Выхлопная система стала работать с повышенным уровнем громкости.
  • Начала существенно падать мощность двигателя, что связано с уменьшением внутреннего сечения.

Если проявили такие признаки, необходимо задуматься о ремонте или замене.

Ремонт

Высокая температура, вибрационные нагрузки, влага в выхлопных газах, вызывающая коррозию — основные причины выхода резонатора из строя. Если речь о незначительных повреждениях, связанных с появлением сквозных отверстий в стенках детали, то проблему можно устранить локальным ремонтом.

Борьба с повреждениями такого характера выполняется по следующей схеме:

  • Из жести вырезают ремонтную пластину, площадь которой должна превышать размеры отверстия, которое имеется.
  • Поврежденный участок зачищают поврежденный участок при помощи болгарки с абразивным кругом, наждачной бумаги для удаления грязи, ржавчины.
  • На ремонтной пластине и корпусе резонатора сверлят отверстия, которые должны совпадать и необходимы для дальнейшего крепления заплатки.
  • Обезжиривают зону ремонта и устанавливают пластину с применением специальной шпатлевки и отвердителя.
  • После полимеризации этого материала в подготовленные отверстия вкручивают саморезы, которые подходят по диаметру.

Ремонт такого класса позволит продлить срок службы резонатора, но этот период будет зависеть от качества работ, которые были выполнены.

Замена резонатора

При значительных повреждениях резонатор меняют, делают это по следующей схеме:

  • Болты, при помощи которых прикреплен резонатор, обрабатывают WD-40 или другими средствами для удаления ржавчины.
  • Выкручивают болты, снимают крепежный хомут, разъединяют трубы и демонтируют уплотнения.
  • После разборки всех точек крепления снимают резонатор в сборе.
  • Монтаж выполняется в обратной последовательности.

Резонатор считают расходным элементом выхлопной системы автомобиля. Срок его службы зависит от качества сборки, какой металл применяли при производстве, условия эксплуатации. С необходимостью ремонта или замены этой детали приходится сталкиваться. Но это рутинная операция, которая не отличается особой сложностью. Повреждение резонатора не считают критическим, машину какое-то время можно эксплуатировать, но затягивать с ремонтом не стоит, учитывая снижающуюся мощность и возросший шум при работе выхлопной системы.

что такое и зачем нужен?

Работа абсолютно любого силового агрегата сопряжена с выработкой сильного шума. При этом пассажиры автомобиля и сам водитель созданный шумовой эффект обычно не слышат таким, каким он есть на самом деле. Для снижения шумности моторов было придумано специальное устройство глушитель. Его основной функцией является  гашение шумов при работе ДВС. Несмотря на то, что изначально кажется, что выполняемые функции выхлопной системы достаточно просты, на деле все совершенно по-другому. В состав системы входит сразу несколько элементов и в частности в ней предусмотрено устройство, которое называют резонатором. Он является незаменимой частью системы и отвечает непосредственно за вывод из нее выхлопных газов. Визуально он во многом схож на обычный глушитель. О том, зачем он нужен и в чем его отличия от пламегасителя будет подробнее рассказано в этом полезном материале.

Зачем используют резонатор на авто?

Из самого названия устройства можно предположить за какие функции он несет ответственность. Резонатор предназначен производить резонирование шума и звуковых потоков, которые возникают при работе двигателя внутреннего сгорания. То есть другими словами этот элемент выполняет роль гасителя звуковых колебаний в тот момент, когда выхлопные газы начинают покидать камеру сгорания. При этом это далеко не одна из выполняемых резонатором функций. На деле это устройство выполняет гораздо больше задач. Многие автомобилисты знают, что резонатор также повышает полезную мощность силового агрегата. По этой причине на многие спортивные авто и устанавливаются подобные элементы. В них стандартный вариант резонатора обычно заменяют более эффективным вариантом, причем новый элемент располагают непосредственно за прямотоком.

В чем отличия резонатора от пламегасителя?

Этим вопросом задаются многие автомобилисты не до конца понимающие функции резонатора. Далеко не все вообще понимают различия между этими двумя типами устройств. Для некоторых единственным отличием считается только название. Такое утверждение бессмысленно и может звучать только о тех, кто совершенно не разбирается в автомобилях. Пламегаситель, несмотря на свое кричащее название не призван  гасить пламя. при этом в выхлопную систему такая конструкция действительно устанавливается. Поэтому основной ролью пламегасителей считается именно оснащение системы дополнительным резонатором.  Кроме того, между резонатором и пламегасителем существуют две принципиальные разницы. Первая заключается в том, что  все пламегасители изготавливаются из высококачественных  материалов, потому как на него воздействуют температурные нагрузки и колебания. Второе отличие в том, что резонатор гораздо эффективнее компенсирует звуковые колебания, ведь его прямая обязанность в том, чтобы компенсировать звуковые волны перед попаданием их в глушитель.

Подробнее об автомобильном резонаторе будет рассказано в этом видеоматериале:

Опубликовано: 17 мая 2019

Назначение, принцип работы резонатора воздушного фильтра

Для чего нужен резонатор воздушного фильтра? Ответить на вопрос удастся, ознакомившись с принципом работы таких систем: всаса воздуха, отвода отработавших газов. Определив связь между системами и резонатором, удастся понять принцип работы, назначение устройства.

Общее знакомство

Резонатор

Воспламенение топливной смеси, необходимой для нормальной работы мотора, невозможно без наличия кислорода. Указанный элемент поступает внутрь движка из воздуха через впускной коллектор. Воздушный поток содержит вредные частицы пыли, грязи, сажи, споры растений, которые наносят вред внутренним элементам силового агрегата. Препятствует их поступлению внутрь автодвигателя воздушный фильтр, он очищает поступающий воздух от абразивных частиц. Перед элементом фильтрации устанавливается резонатор.

Зачем нужен резонатор воздушного фильтра? Работающий автодвигатель издает своеобразный гул, образовывающийся из-за взрывания топливной смеси внутри силового агрегата. Частота взрывов большая, отличить один взрыв от другого невозможно, они сливаются в монотонный звук — «рев двигателя». Этот звук направляется:

  1. В сторону глушителя.
  2. В сторону подачи воздуха — автодвигатель. Резонатор, устанавливаемый с элементом фильтрации, гасит звук, издающийся из всасывающей системы.

Назначение

Резонатор перед фильтрующим элементом устанавливается для гашения звукового потока, издающегося из системы всаса, плюс выполняет функции:

  1. Разделяет движущиеся навстречу потоки воздуха. Существует встречное давление, создаваемое мотором, которое движется навстречу всасываемому воздушному потоку. Резонатор разделяет движущиеся навстречу воздушные потоки, способствует поступлению нужного объема воздуха внутрь двигателя. От поступления всасываемого воздуха в автодвигатель зависит эффективность работы мотора (разгон автомобиля). Если указанного устройства не будет, потоки воздуха пересекутся, внутрь двигателя начнет поступать неравномерное количество кислорода, вследствие чего возникнет кислородное голодание движка.
  2. Препятствует попаданию внутрь силового агрегата воды. Указанное устройство не дает проникнуть воде внутрь мотора, если машина попадает в очень глубокую лужу. Объясняется это конструктивными особенностями устройства: впускное отверстие расположено достаточно высоко.
  3. Сглаживает колебания воздушного потока при всасе, делает пульсации воздуха в момент всасывания равномерными, способствует нормальной работе мотора.

Резонатор воздушного фильтра имеет много плюсов. Давайте выделим негативный аспект — входное отверстие устройства конструктивно расположено высоко. Поэтому внутрь мотора всасывается нагретый до определенной температуры под капотом машины воздух. В таком воздухе содержится маленькая доля кислорода — это влияет на воспламенение топливной смеси негативно.

Конструктивные особенности

Установка ресивера на автомобиле

Указанные устройства имеют различную форму. В основном они отличаются геометрией, но возможны различия в количестве перегородок, находящихся внутри элемента. Различают основные виды резонаторов:

  1. Моноблочные. Состоят из одной емкости, имеющей определенное количество перегородок, необходимых для разделения двух встречных потоков, снижения звука.
  2. Комбинированные. Состоят из двух емкостей. Первая служит для уменьшения высоких звуковых частот, вторая — низких. Согласно распределению снижения звука происходит выравнивание пульсаций воздушных потоков.

Независимо от конструктивных особенностей резонаторов основное их назначение — обеспечение нормальной работы мотора. Поэтому при поломке устройства проведите его замену. В противном случае через несколько километров пробега вы заметите нарушения в работе движка. Замена резонатора не является сложной, ее можно осуществить самостоятельно без привлечения специалистов.

Многие автолюбители рекомендуют снять указанное устройство. По их мнению, такие действия позволят:

  1. Снизить точку забора воздуха — улучшится мощность мотора, внутрь движка будет больше поступать кислорода.
  2. Звук работающего мотора станет похож на звук мощного американского автомобиля.
  3. Возрастание динамики разгона автомобиля — уберется дополнительное сопротивление, создаваемое резонатором.

Учтите: сняв указанный элемент системы, вы можете вызвать частичное кислородное голодание двигателя — это приведет к капремонту силового агрегата, плюс спровоцируете гидроудар, если въедете в глубокую лужу, вода попадет внутрь мотора.

Дисковые резонаторы UHQ

| Vahala Research Group

Первостепенной целью многих исследований в области электроники и фотоники является интеграция устройств на платформы микросхем. Кремниевая фотоника, например, представляет собой область исследований, направленную на перенос функций устройств, которые существуют в дискретной (автономной) форме, на кремниевые пластины для интеграции с другими фотонными и электронными устройствами. Полная интеграция устройств может обеспечить поразительную сложность системы на кристалле и открыть совершенно новые приложения.

Часть работы нашей группы заключалась в том, чтобы перенести исследования устройств со сверхвысокой добротностью в область интеграции. Мы представили микротороидный резонатор в 2003 году как первый оптический резонатор UHQ, изготовленный на полупроводниковом кристалле [1]. Его добротность в 100 миллионов представляет собой примерно 10 000-кратное увеличение добротности для устройств на основе микросхем. В настоящее время микротороид широко используется в исследованиях микрорезонаторов по всему миру и продолжает обеспечивать доступ к удивительной физике.

Лайтбокс изображения

Рисунок 1: Спектральное сканирование дискового резонатора для измерения добротности.

Дисковые резонаторы UHQ [2] добавляют набор новых функций управления к исследованиям резонаторов, которые были невозможны при использовании микротороидов. Возможен точный контроль диаметра, что обеспечивает очень точный контроль свободного спектрального диапазона (FSR). Это позволило создать высокоэффективные бриллюэновские лазеры, обеспечив точное соответствие FSR частоте бриллюэновского сдвига. В дополнение к контролю диаметра эти резонаторы могут быть изготовлены в очень широком диапазоне диаметров и позволяют работать с частотными микрогребенками как с высокой эффективностью, так и с обнаруживаемыми скоростями [3].Кроме того, фактическую форму дискового резонатора можно контролировать во время изготовления, чтобы ввести геометрическую составляющую дисперсии, которую можно использовать для компенсации дисперсии основного материала резонатора из диоксида кремния. Мы используем эту возможность для создания спектрально плоских резонаторов для высокопроизводительных микрогребней. При изготовлении дисковых резонаторов UHQ используются специальные оксидные пленки высокой чистоты, приготовленные из кремния зоны плавления, в сочетании с дополнительными этапами удаления остаточной воды из выращенного влажным способом оксида.Кроме того, процесс травления был оптимизирован для получения полированной поверхности кремнезема. Устройства с наивысшей производительностью могут достигать добротности почти в 1 миллиард [2]. Данные на рис. 1 показывают спектр, созданный при подключении лазера к дисковому резонатору с помощью конического оптоволоконного соединителя и последующем сканировании лазера на резонансной частоте диска. Ширина линии резонанса определяет добротность. Также показана синусоидальная кривая, полученная интерферометром и используемая для калибровки частоты.Данные на рис. 2 показывают, как точно контролировать FSR можно с помощью правильного дизайна файла САПР, используемого для создания литографической маски. Маска используется для определения формы дискового резонатора при изготовлении. Данные показывают стандартное отклонение 2,4 МГц для FSR около 10,8 ГГц.

Лайтбокс изображения

Рисунок 2: Управление процессом дискового резонатора FSR.

Ширина линии бриллюэновского усиления составляет около 50 МГц, что означает, что все устройства на кристалле работают с очень высокой эффективностью.


  1. Д. К. Армани, Т. Дж. Киппенберг, С. М. Спиллейн и К. Дж. Вахала, «Тороидный микрорезонатор сверхвысокой добротности на чипе», Nature 421 , 925-928 (2003),
  2. Han su TongLeen* Цзян Ли *, Ки Юл Ян, Сокмин Чон, Оскар Пейнтер и Керри Дж. Вахала, «Химически вытравленный клиновидный резонатор сверхвысокой добротности на кремниевой микросхеме», Nature Photonics 6 , 369–373 (2012)
  3. Цзян Ли , Хансуек Ли, Тонг Чен и Керри Дж.Вахала, «Низкая мощность накачки, низкий фазовый шум и частота повторения от микроволнового до миллиметрового диапазона в микрогребнях», Phys. Преподобный Летт. 109 , 233901 (2012)

Настройка расстояния между резонансами в резонаторе с бегущей волной

между соседними резонансными модами можно настроить. Это достигается за счет настройки взаимной связи двух сильно связанных резонаторов.За счет включения металлических микронагревателей экспериментально продемонстрирована настройка расстояния между резонансами в диапазоне 20% от свободного спектрального диапазона (0,4 нм) с рассеиваемой мощностью 27 мВт в микронагревателе. Насколько нам известно, это первая демонстрация настройки расстояния между резонансами в интегрированном резонаторе бегущей волны. Также численно показано, что эти моды демонстрируют сильное усиление поля, что делает это устройство чрезвычайно полезным для приложений нелинейной оптики и датчиков.

1. Введение

Последние технологические достижения в области высококонтрастных материалов, таких как кремний, обещают беспрецедентный уровень интеграции фотоники [1]. Разработка высокодобротных и компактных резонаторов для различных приложений, таких как обработка сигналов, зондирование и нелинейная оптика, была важной и активной областью исследований в этой области [2–4]. Более того, возможность настройки резонансных свойств таких резонаторов с низким энергопотреблением и малыми потерями значительно расширила функциональные возможности устройства для приложений, требующих реконфигурации [5–7].Пока что большинство реконфигурируемых устройств предназначены для линейных приложений (например, фильтрации), где интерес представляет только одна резонансная мода. Однако для многих приложений нелинейной оптики и датчиков может взаимодействовать более одной волны с разными частотами. Чтобы максимизировать взаимодействие оптических волн на разных частотах внутри резонатора, важно спроектировать условие резонанса в разных свободных спектральных диапазонах (FSR), чтобы обеспечить одновременный резонанс для всех взаимодействующих волн.Однако одной из проблем устройств на основе резонанса является фиксированный интервал резонансных частот (или FSR) их соседних резонансных мод, который нелегко настроить. Во многих нелинейных и сенсорных приложениях расстояние между резонансами необходимо обрезать после изготовления или динамически настраивать для повышения производительности [3]. Настройка FSR была продемонстрирована ранее в устройствах на основе волокна [8,9]; однако никаких работ по настройке частотного разноса соседних резонансных мод в интегрированной платформе не проводилось.В этой работе мы предлагаем и экспериментально демонстрируем структуру резонатора бегущей волны (TWR) в кремниевой (Si) фотонной платформе, в которой расстояние между соседними резонансными модами может быть настроено динамически. Насколько нам известно, это первая демонстрация настройки частотного интервала на интегрированной платформе.

2. Предложение устройства и результаты моделирования

TWR являются одним из наиболее широко используемых типов резонаторов в интегральной оптике из-за их свойств малых потерь [10] и простоты их подключения к входным/выходным волноводам [11].FSR этих резонаторов определяется как λ . 2 / Ln г ; , где λ — резонансная длина волны, L — оптическая длина резонатора, а n g — групповой индекс, воспринимаемый бегущей волной. Так как в обычных микрокольцевых, микродисковых или беговых ДВР n g нельзя перестраивать в широком диапазоне, КЧХ этих резонаторов практически фиксирована. Это очень фундаментальное свойство резонаторов требует косвенного подхода к настройке расстояния между соседними резонансными модами.В этой работе мы используем свойства разделения мод сильно связанного устройства TWR для достижения динамической настройки интервала между резонансными модами.

Рисунок 1(а) показана структура двух идентичных TWR, соединенных вместе через обычный безотражательный направленный ответвитель (DC) с коэффициентом связи по мощности κc2. Основываясь на теории связанных мод [12], ожидается, что резонансная частота отдельных резонаторов разделится на четные и нечетные связанные моды (или супермоды) при связи.Мода с более низкой (более высокой) резонансной частотой в данной работе обозначается как четная (нечетная). Это расщепление может быть сравнимо с FSR резонаторов при достаточно высоком уровне связи. На рисунках 1(b) и 1(c) показаны две интересующие нас структуры со связанными резонаторами, в которых связь достигается с помощью одного и двух симметричных ДК соответственно. Коэффициент связи по мощности всех ДК в обеих структурах составляет κ . 2 . Структуры на рис. 1(b) и 1(c) называются резонаторными структурами с одноточечной и двухточечной связью соответственно.На рис. 1(d) показана величина расщепления резонансной частоты, нормированная на FSR каждого отдельного резонатора, в зависимости от коэффициента связи мощности постоянного тока (т. е. κ 2 ). Приложение А содержит детали вывода условия резонанса для обоих устройств. Это моделирование выполнено для двух идентичных связанных резонаторов типа «кремний на изоляторе» (КНИ), состоящих из волноводов с эффективным показателем преломления и групповым показателем 2,5 и 4,25 соответственно.

 

Рис.1 (a) Структура двух идентичных TWR, связанных друг с другом через общий ответвитель: (b) и (c) показаны структуры двух TWR, связанных вместе через один и два симметричных DC соответственно. (d) Нормированное частотное расщепление структур, показанных на (b) и (c), в зависимости от коэффициента связи по мощности.

Скачать полную версию Размер | РРТ Слайд | PDF

Замечено, что для одноточечной (рис. 1(b)) и двухточечной (рис. 1(c)) резонаторных структур частотное расщепление до половины ЧСР и одного целого FSR достигаются соответственно.Чтобы прояснить ситуацию, были рассчитаны спектры пропускания этих структур со связанными резонаторами, соединенными с внешними шинными волноводами, и результаты представлены на рис. 2(а) -2(е). Передачи рассчитываются с использованием подхода, аналогичного матрице передачи, как в [13], с параметрами матрицы передачи для ответвителей с одноточечной и двухточечной связью, полученными в приложении A (уравнения (5) и (уравнения (5) и ( 6)). В этих симуляциях предполагается собственная добротность 10 5 для резонаторов беговой дорожки КНИ с эффективным показателем преломления и групповым показателем 2.5 и 4,25 соответственно; соответствующие волноводам шириной 480 нм и толщиной 230 нм, скрытым под оболочкой SiO 2 . Длина каждого отдельного резонатора считается равной 245 мкм, а нижний резонатор соединен с внешним шинным волноводом с коэффициентом связи по мощности κex2=0,09. Горизонтальные оси на рис. 2(a)-2(f) — расстройка частоты по отношению к одной из мод несвязанного резонатора (вблизи λ 0 = 1,55 мкм), нормированная на FSR несвязанного резонатора.На рисунках 2(a) (2(d)), 2(b) (2(e)) и 2(c) (2(f)) показаны спектры для одноточечной связи (двухточечной связи) резонаторные конструкции для коэффициентов связи по мощности κ 2 = 0, κ 2 = 0,5 и κ 2 = 1 соответственно. Знак «2x» рядом с провалами в спектрах пропускания указывает на наличие двух вырожденных мод на данной частоте. Наблюдается, что по мере увеличения коэффициента связи от нуля первоначально вырожденные моды расщепляются и достигают своего максимального расщепления при κ 2 = 1.Для одноточечной конструкции с κ 2 = 1, в каждом круговом обходе электромагнитное поле от одного резонатора полностью попадает во второй резонатор с добавлением фазового сдвига π/2 [12] и, пройдя второй резонатор, возвращается обратно в первый резонатор с дополнительной фазой π/2. В результате устройство со связанными резонаторами эквивалентно одному резонатору с удвоенной длиной каждого отдельного резонатора с полной фазой π, введенной в его фазу приема-передачи.Это видно на рис. 2(с), где КФС связанного резонатора составляет половину КФС каждого одиночного резонатора (рис. 2(а)) и резонансы сдвинуты на половину КФС из-за дополнительной π-фазы. . Для двухточечной структуры интерференция двух плеч сбалансированного ИМЦ, образующаяся между резонаторами, определяет эффективную взаимную связь между ними. Например, на κ 2 = 0,5, ИМЦ имеет полную силовую связь между двумя резонаторами с добавлением фазы π/2 к амплитудам поля (за исключением фазы распространения).Следовательно, эта структура действует точно так же, как одноточечная структура с κ 2 = 1; и в результате спектры пропускания на рис. 2(с) и 2(е) одинаковы. Однако в двухточечной структуре для κ 2 = 1, ИМЦ имеет нулевую силовую связь между двумя резонаторами; следовательно, два резонатора развязаны с добавлением общей фазы π, введенной в фазу прохождения туда и обратно каждого резонатора в результате фазы MZI (исключая член фазы распространения в прямой части MZI).

 

На рис. 2 (а), (б) и (в) показаны спектры пропускания одноточечного резонатора для κ 2 = 0, и κ 2 = 1 соответственно; подключен к внешнему шинному волноводу. (г), (д) ​​и (е) – спектры пропускания резонатора с двухточечной связью для κ 2 = 0, κ 2 = 0,5 и κ 2 = 1 соответственно.Длина каждого резонатора 245 мкм с собственной добротностью 10 5 .

Скачать полную версию Размер | РРТ Слайд | PDF

В результате этой дополнительной фазы моды структуры связанного резонатора смещаются на половину FSR по сравнению с несвязанным случаем κ . 2 = 0. Поэтому, глядя на эволюцию мод на рис. 2(d)–2(f), видно, что при κ 2 , четные и нечетные супермоды проходят половину ФСР в противоположных направлениях, и в этой структуре наблюдается чистое расщепление одного целого ФСР.Стрелки на рис. 2(b) и 2(e) показывают направление сдвига резонансных мод по мере увеличения коэффициентов связи в точках связи.

Структура резонатора с двухточечной связью не только демонстрирует вдвое большее частотное расщепление по сравнению со структурой с одноточечной связью, но также имеет преимущество с инженерной точки зрения. Интерферометр Маха-Цендера можно использовать для настройки связи резонатора путем настройки разности фаз между двумя плечами интерферометра.Рисунок 3 показывает нормализованное разделение частот как функцию разности фаз между плечами интерферометра, обозначенными Arm1 и Arm2 на рис. 1(c) соответственно. Поскольку любое изменение фазы в плечах интерферометра изменяет резонансную частоту соответствующего резонатора, два резонатора больше не будут вырожденными. Чтобы исследовать только влияние изменения взаимной связи между резонаторами, в этом исследовании резонансные частоты резонаторов сохраняются неизменными путем добавления компенсирующего фазового члена к фазе прохождения туда и обратно каждого резонатора.Эта фаза равна фазе, добавленной к плечу ИМЦ того же резонатора с обратным знаком. Коэффициент связи мощности, κ 2 , используемый в каждом моделировании, указан рядом с соответствующей кривой. Замечено, что максимальное расщепление происходит при нулевой разности фаз, а по мере увеличения разности фаз до π связь и, следовательно, расщепление уменьшаются до нуля. Следовательно, с помощью этого механизма можно настроить разделение режимов для достижения желаемого значения.

 

Рис.3 Нормированное расщепление частоты в зависимости от разности фаз между двумя плечами интерферометра, соединяющими два резонатора в структуре с двумя точками связи, показанной на рис. 1(c). Цифры над кривыми указывают значение κ 2 . В этих симуляциях мы изменяем разность фаз между двумя плечами резонатора Маха-Цандера (плечо1 и плечо2 на рис. 1(с)). Все остальные параметры в этих симуляциях такие же, как и в подписи к рис. 2.

Скачать полную версию Размер | РРТ Слайд | PDF

Одной из важных характеристик предлагаемого устройства со связанными резонаторами является то, что величина усиления поля в двух отдельных резонаторах изменяется в зависимости от κ 2 и, следовательно, изменяется полезная длина устройства.Например, если взаимная связь между двумя резонаторами изменяется от единицы до нуля, эффективная длина устройства изменяется от 2 L res до L res , где L res — длина каждого резонатора. Следовательно, в пределах каждого кругового обхода резонатора мода испытывает различные уровни потерь по мере изменения эффективной связи между двумя резонаторами. Однако, поскольку связь с шинным волноводом фиксирована в пределах каждого обхода, в резонансе наблюдаются разные уровни ослабления для разных сил связи между резонаторами.Это указывает на разные уровни усиления поля в устройстве (например, максимальное усиление достигается при нулевом поглощении или критическом условии связи). Поскольку усиление поля является одной из наиболее важных мер во многих приложениях датчиков и нелинейной оптики, влияние взаимной связи резонаторов на усиление поля подробно изучается в разделе 4.

3. Изготовление и экспериментальные результаты

Чтобы экспериментально продемонстрировать предложенную идею, устройство со связанным резонатором с двухточечной связью изготовлено на пластине КНИ с кремниевой пластиной толщиной 230 нм и скрытым оксидом толщиной 1 мкм (BOX ) слой (рис.4 ). Микронагреватели интегрированы в MZI для настройки связи между резонаторами. Ширина волноводов по всему устройству составляет 480 нм для обеспечения одномодовой работы. Длина каждого резонатора составляет 245 мкм (включая длину ИМЦ), а длина каждого плеча интерферометра Маха-Цандера составляет 60 мкм. ДК идентичны, а зазор и длина области параллельной связи составляют 150 нм и 7,5 мкм соответственно. Рисунок устройства написан на электронно-лучевом резисте ZEP с использованием электронно-лучевой литографии (JEOL 9300) и вытравлен в кремнии с помощью индуктивно-связанной плазмы (STS ICP) с использованием химии на основе Cl 2 .После этого шага 1 мкм SiO2 осаждается с использованием плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), а схемы микронагрева определяются процессом отрыва с использованием ZEP и электронно-лучевого испарения. Оптимизированные микронагреватели с быстрой реконфигурацией были разработаны для достижения субмикросекундной реконфигурации [5]. Микронагреватели состоят из никеля толщиной 75 нм, а контактные площадки покрыты золотом толщиной 150 нм для лучшего электрического контакта. Одностадийный отрыв никеля и золота осуществляется в местах расположения нагревателей и контактных площадок.На другом этапе литографии участки над микронагревателями вскрывают с помощью резиста ZEP, и золото удаляют с помощью безопасного для никеля травильного средства для золота GE-8148 (Transene Inc.).

 

Рис. 4 Оптическая микрофотография двухточечной резонаторной конструкции, изготовленной на КНИ со встроенными микронагревателями. H 1 , H 2 , H 3 и H 4 показывают микронагреватели, изготовленные поверх конструкции для тепловой настройки.

Скачать полную версию Размер | РРТ Слайд | PDF

На рис. 4 представлена ​​оптическая микрофотография фотонного устройства со встроенными микронагревателями.Отдельные нагреватели распределены по разным частям устройства для независимого управления длиной волны связи и резонанса.

Пропускание измеряется путем пропускания света в устройство и из него с использованием конических волокон в стандартной испытательной установке оптических характеристик. TE-поляризованный свет падает на устройство от перестраиваемого лазера со свипирующей длиной волны, и выходной сигнал устройства подключается к фотодетектору, а данные передаются на ПК с помощью карты сбора данных (DAQ).Рисунок 5(а) показан спектр пропускания устройства, показанного на рис. 4. Видно, что в спектре присутствуют два набора мод с близким FSR около 2,3 нм. Этот FSR соответствует FSR каждого отдельного резонатора (что составляет 2,3 нм). Кроме того, интервал между двумя соседними модами из разных наборов соответствует модовому расщеплению вырожденных мод резонаторов. Из-за высокого уровня связи моды двух резонаторов сильно разделены примерно на 0.86 нм. Исходя из этого количества разделения, рассчитывается коэффициент связи мощности каждого постоянного тока между двумя резонаторами, равный κ 2 = 0,42, при условии, что два ответвителя идентичны. Измеренная собственная добротность мод структуры со связанными резонаторами также составляет 70 000.

 

Рис. 5 (а) Нормированный спектр пропускания структуры связанного резонатора, показанный на рис. 4. (б) Нормированные спектры пропускания двух связанных мод вблизи λ = 1,601 мкм для различных рассеиваемых мощностей в нагревателе H 2 (Рис.4). По горизонтальной оси отложена расстройка длины волны относительно центра двух связанных мод. К данным добавляется смещение длины волны, чтобы компенсировать красное смещение резонансных длин волн мод в структуре со связанными резонаторами.

Скачать полную версию Размер | РРТ Слайд | PDF

Нагревая верхнее плечо интерферометра через нагреватель H 2 (рис. 4), можно настроить связь между двумя резонаторами. На рис. 5(b) показаны нормированные спектры пропускания двух связанных резонансных мод вблизи λ = 1.601 мкм для трех различных уровней рассеивания мощности нагревателя H 2 . Число рядом с каждым спектром — это мощность, рассеиваемая в микронагревателе. Аналогичные результаты настройки получены для других FSR на рис. 5 (а). Горизонтальная ось на рис. 5(b) показывает отстройку длины волны от центра связанных мод (или супермод). Замечено, что по мере увеличения рассогласования фаз между плечами интерферометра (за счет подвода тепла) связь между резонаторами и, следовательно, расстояние между модами между связанными модами уменьшается.В дополнение к изменению сил связи резонатора резонансная длина волны верхнего резонатора смещается в красную сторону при нагреве верхнего плеча интерферометра. Это приводит к тому, что центр двух связанных резонансных мод (четная и нечетная супермоды) смещается в красную область по мере уменьшения расстояния между ними. Здесь это красное смещение компенсируется введением соответствующего смещения длины волны в экспериментальные данные, так что центры связанных мод в каждом спектре передачи совпадают. На практике при одновременной настройке всех изготовленных нагревателей центральная длина волны двух резонаторов может оставаться неизменной при настройке их взаимной связи.Рисунок 6 показано изменение расстояния между резонансными длинами волн четных и нечетных связанных мод для структуры на рис. 4 при различной мощности рассеяния в нагревателе H 2 . Наблюдается, что изменение расстояния между длинами волн между связанными модами на 0,4 нм достигается за счет рассеивания 27 мВт в H 2.. Это изменение эквивалентно 20% FSR несвязанных резонаторов.

4. Обсуждение

Результаты, показанные в разделе 3, ясно показывают, что расстояние между соседними модами резонаторного устройства может быть настроено на относительно большую величину при использовании одного нагревателя.Тот факт, что расщепление между соседними модами на рис. 4 может изменяться от 0,86 нм (нулевое рассеивание мощности) до 0,4 нм (равно 20 % от FSR) при рассеянии тепловой мощности всего 27 мВт в H 2 , доказывает, что Устройство на основе резонатора на рис. 4 можно использовать для большого набора условий сигнала в таких приложениях, как нелинейная оптика, в которой взаимодействуют сигналы с разными длинами волн. Настраивая расстояние между модами, мы можем достичь состояния резонанса и одновременного усиления поля для задействованных сигналов.Величина усиления поля является важной характеристикой, определяющей производительность устройства, и ее необходимо учитывать для любого предлагаемого устройства. Поскольку предложенная нами структура резонатора состоит из интерферометра в дополнение к резонаторам, ожидается, что его характеристика усиления поля будет отличаться от характеристики простого резонатора. Используя аналогичный подход с матрицей переноса, как в [13], усиление поля четных и нечетных супермод в двух резонаторах структуры с двухточечной связью (рис.1(c)) рассчитываются как функция разности фаз между двумя плечами интерферометра, и результаты показаны на рис. 7. . В этих симуляциях общая длина обоих резонаторов составляет 245 мкм; длина плеч интерферометра 60 мкм; коэффициенты связи мощности постоянного тока между двумя резонаторами равны κ 2 = 0,7; коэффициент связи по мощности для связи шинного волновода с нижним резонатором κex2=0,09 (близок к критическому условию связи для собственной добротности 10 5 ).Усиления интенсивности, показанные на рис. 7, обозначены a и определяются отношением напряженности поля каждой резонансной моды внутри резонатора к напряженности поля на входном волноводе. Индексы 1 и 2 определяют поля в нижнем резонаторе (R 1 ) и верхнем резонаторе (R 2 ) соответственно. Также моды с более низкой и более высокой частотой называются соответственно четной и нечетной модой. На рис. 7 показано, что по мере увеличения разности фаз ИМЦ величина усиления четной (нечетной) моды в R 1 увеличивается (уменьшается) до тех пор, пока φ = 0.8π. По мере дальнейшего увеличения φ R 2 отделяется от R 1 ; поле в R 2 падает до нуля; и усиление как четных, так и нечетных мод увеличивается в R 1 . Причина такого сильного увеличения усиления поля заключается в уменьшении эффективной длины системы связанных резонаторов по мере того, как резонаторы разъединяются. Это уменьшение эффективной длины приводит к уменьшению модового объема структуры, что напрямую приводит к более сильному усилению поля.При моделировании, когда φ приближается к π, четные и нечетные моды постепенно перекрываются и становятся численно неразличимыми. На рис. 7 пунктирные линии соединяют последнюю точку моделирования, для которой четные и нечетные моды были различимы (т. е. φ = 0,95π), с предельным случаем нулевой связи (т. е. φ = π), когда две моды полностью перекрываются. . Наблюдается, что в каждом резонаторе (R 1 и R 2 ) как четные, так и нечетные моды одновременно проявляют усиление поля. Это подтверждает, что волны, находящиеся в резонансе с этими модами, проявляют усиленное нелинейное взаимодействие.Однако это улучшение зависит от настройки интервала резонансных частот, и это необходимо учитывать при любом применении.

 

Рис. 7 Увеличение интенсивности четных и нечетных супермод в R 1 (нижний резонатор) и R 2 (верхний резонатор) в зависимости от разности фаз между плечами интерферометра на рис. 1(c) . Пунктирные части каждой кривой соединяют последнюю точку данных моделирования, для которой могут быть разрешены нечетные и четные моды, с окончательным значением при фазовом сдвиге π (несвязанный случай).

Скачать полную версию Размер | РРТ Слайд | PDF

5. Заключение

В заключение мы теоретически и экспериментально продемонстрировали устройство со связанными резонаторами, в котором расстояние между соседними модами можно настраивать путем настройки их взаимной связи. Устройство было изготовлено на платформе КНИ со встроенными микронагревателями для настройки. За счет чрезмерной связи двух резонаторов достигается расщепление мод до 0,86 нм (0,374xFSR), и это расщепление было уменьшено до 0.4 нм путем нагревания одного плеча интерферометра, соединяющего два резонатора. Насколько нам известно, это первая демонстрация устройства на основе резонатора на интегрированной платформе, в которой расстояние между соседними резонансными модами настроено на 20% от его FSR. С помощью численного моделирования мы также показали, что обе расщепленные супермоды демонстрируют сильное усиление поля, что является требованием для приложений нелинейной оптики и датчиков.

Приложение A. Условия резонанса устройства со связанными резонаторами

Здесь мы получаем условие резонанса устройства, показанного на рис.1(а) методом трансфер-матрицы [13]. Если предположить, что векторы a¯=[a2 a1]T и b¯=[b2 b1]T на рис. 1(a) представляют амплитуды волн, входящих и выходящих из ДК соответственно; имеем [12]

(1)b¯=Ta¯=e−jθc[tcjκcjκc*tc*] a¯ , где T — передаточная матрица общего постоянного тока, связывающего два резонатора, в котором θ c — фаза распространения, t c и κ c — сквозной амплитудный коэффициент и коэффициент перекрестной связи соответственно.Также по пути обратной связи от b¯ к a¯ имеем, где L — длина каждого резонатора и β — постоянная распространения резонаторов. Комбинируя уравнения (1) и (2) мы имеем и, заменив T из уравнения. (1) в уравнении (3) получается следующее уравнение на собственные значения для резонансной частоты устройства со связанными резонаторами: (4)ej2ϕ+2Re{tc}ejϕ+1=0 . Здесь ϕ=θc+βL и Re{.} часть аргумента в скобках. Следует отметить, что, поскольку рассматривается очень сильная связь между резонаторами, теория связанных мод первого порядка здесь не может быть использована [2].

На рисунках 1(b) и 1(c) показаны две интересующие нас структуры со связанными резонаторами, в которых связь достигается с помощью одного и двух симметричных ДК соответственно. Проходная мощность и коэффициенты связи всех ДК в обеих структурах обозначены t 2 и κ 2 соответственно. Для ответвителя в одноточечном резонаторе (рис. 1(б)) имеем

(5)tc=t, κc=k, θc=0, а для ответвителя ИМЦ в двухточечно резонатор (фиг.1(c)), имеем,(6)tc=t2e−j∆ϕMZ/2−k2ej∆ϕMZ/2, κc=2ktcos(∆ϕMZ/2) , θc=ϕMZave, где ΔϕMZ=ϕ1MZ−ϕ2MZ и ϕaveMZ=(ϕ1MZ+ϕ2MZ)/2; где ϕ1MZ и ϕ2MZ — члены фазы распространения в Arm1 и Arm2 Маха-Цендера соответственно. Подставляя уравнения (5) и (6) в уравнение. (3) и путем решения уравнения собственных значений вычисляются резонансные частоты структур со связанными резонаторами и, следовательно, их резонансное расщепление, показанное на рис. 1(d).

Благодарности

Эта работа была поддержана Управлением научных исследований ВВС по контракту №FA9550-07-1-0201 (Г. Помренке).

Ссылки и ссылки

1. Р. Сореф, «Прошлое, настоящее и будущее кремниевой фотоники», IEEE J. Sel. Вершина. Квантовый электрон. 12 (6), 1678–1687 (2006). [CrossRef]  

2. Q. Li, M. Soltani, S. Yegnanarayanan, and A. Adibi, «Разработка и демонстрация компактных широкополосных фильтров со связанными резонаторами на платформе с кремниевым изолятором», Opt. Экспресс 17 (4), 2247–2254 (2009). [CrossRef]   [PubMed]  

3. Тернер А.С., Фостер М.А., Гаэта А.Л., Липсон М. Параметрическое преобразование частоты со сверхнизкой мощностью в кремниевом микрокольцевом резонаторе // Опт. Экспресс 16 (7), 4881–4887 (2008). [CrossRef] [PubMed]

4. А. М. Армани, Р. П. Кулкарни, С. Э. Фрейзер, Р. К. Флаган и К. Дж. Вахала, «Безметочное обнаружение одиночных молекул с помощью оптических микрорезонаторов», Наука 317 (5839), 783–787 (2007). [CrossRef]   [PubMed]  

5. А.Х. Атабаки, М. Солтани, С. Йегнанараянан, А. А. Эфтехар и А. Адиби, «Оптимизация металлических микронагревателей для реконфигурируемой кремниевой фотоники», Конференция по лазерам и электрооптике / Международная конференция по квантовой электронике, Технический дайджест OSA (CD) (Оптическое общество Америки, 2009 г.), статья CThB4.

6. Попович М.А., Барвич Т., Ган Ф., Далем М.С., Хольцварт К.В., Ракич П.Т., Смит Х.И., Иппен Э.П. Конференция по электрооптике / квантовой электронике и лазерной науке и технологиям систем фотонных приложений, серия технических дайджестов OSA (CD) (Оптическое общество Америки, 2007 г.), документ CPDA2.

7. Чен Л., Шервуд-Дроз Н., Липсон М. Компактные микрокольцевые резонаторы с перестраиваемой полосой пропускания // Опт. лат. 32 (22), 3361–3363 (2007). [CrossRef] [PubMed]

8. Дж. Магне, П. Джаккари, С. ЛаРошель, Дж. Асанья и Л. Р. Чен, «Всеволоконные гребенчатые фильтры с настраиваемым свободным спектральным диапазоном», Опт. лат. 30 (16), 2062–2064 (2005). [CrossRef] [PubMed]

9. Ю. Г. Хан, С. Ю. Донг, Дж. Х. Ли и С. Б. Ли, «Перестраиваемый по длине волны многоканальный фильтр, включающий выборочную чирпированную волоконную брэгговскую решетку на основе симметричного метода настройки ЛЧМ без центра сдвиг длины волны», Opt.лат. 31 (24), 3571–3573 (2006). [CrossRef] [PubMed]

10. M. Soltani, S. Yegnanarayanan, and A. Adibi, «Планарные кремниевые микродисковые резонаторы со сверхвысокой добротностью для кремниевой фотоники в масштабе чипа», Opt. Экспресс 15 (8), 4694–4704 (2007). [CrossRef]   [PubMed]  

11. M. Soltani, S. Yegnanarayanan, Q. Li, and A Adibi, «Systematic Engineering of Waveguide-Resonator Coupling for Resonators Microring/Microdisk/Racetrack: Theory and Experiment», (принято, IEEE J.Квантовый электрон. (появляться)).

12. H.A. Haus, Волны и поля в оптоэлектронике (Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1984).

13. J. Poon, J. Scheuer, S. Mookherjea, G. Paloczi, Y. Huang, and A. Yariv, «Матричный анализ микрокольцевых оптических волноводов со связанными резонаторами», Opt. Экспресс 12 (1), 90–103 (2004). [CrossRef]   [PubMed]  

Устройство акустического резонатора прокладывает путь к лучшей коммуникации

Схема пьезоэлектромеханического устройства.Сверхпроводящий резонатор (желтый) изготовлен из пленки нитрида ниобия-титана на сапфировой подложке. Резонатор перевернут и подвешен к акустическому резонатору, состоящему из тонкого слоя нитрида алюминия (зеленого цвета), нанесенного на толстую кремниевую подложку.

Исследователи Йельского университета разработали высокочастотную версию устройства, известного как акустический резонатор, который может продвинуть область квантовых вычислений и обработки информации.

Хонг Танг, Ллевеллин Уэст Джонс-младший из Йельского университета.Профессор электротехники и физики и его исследовательская группа достигают этого с помощью так называемого пьезооптомеханического устройства. Он обеспечивает так называемую «сильную связь» между двумя системами: сверхпроводящим микроволновым резонатором и системой объемного акустического резонатора. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

При сильной связи устройство обеспечивает обмен энергией и информацией между системами микроволн и механических резонаторов таким образом, что это превышает рассеивание — или уменьшение энергии — каждой из отдельных систем.Таким образом, информация не потеряется.

Уникальной особенностью системы является то, что она работает на очень высокой частоте 10 гигагерц. Преимущество высокочастотной системы заключается в том, что она обеспечивает высокую скорость обработки сигналов, отметил Сюй Хань, доктор философии. студент в лаборатории Танга и ведущий автор исследования. «Например, вы можете передать тот же объем информации или сообщения за более короткое время», — сказал Хан.

Еще одним преимуществом является то, что высокая частота облегчает наблюдение квантовых явлений в экспериментах.В низкочастотных устройствах система должна быть охлаждена до экстремальных температур, чтобы преодолеть тепловой шум, возникающий из-за случайных вибраций окружающей среды, которые искажают сигнал.

Одним из потенциальных применений, по словам Хана, является хранение информации. «Если у вас есть хорошая связь и обмен между системами, вы можете хранить информацию из микроволнового домена в механическом домене», — сказал он.

Хотя эксперименты не проводились в квантовых условиях, исследователи отмечают, что высокочастотное пьезоэлектромеханическое устройство совместимо со сверхпроводящими кубитами — единицами информации, аналогичными цифровым битам в обычных вычислениях.По их словам, это потенциально может означать важный шаг к гибридным квантовым системам, которые соединят мир между классической и квантовой механикой.

Хан сказал, что в настоящее время он использует технологию для разработки устройства, которое использует механическую систему для преобразования информации из микроволнового диапазона в оптический.

«Если вы хотите передать информационный сигнал, вы должны использовать оптику, потому что оптическое волокно имеет очень низкие потери на большом расстоянии», — сказал он.

Чанг-Лин Цзоу, научный сотрудник лаборатории Танга, соавтор статьи.

Одно устройство, много частот: Аргоннские исследователи создают уникальный крошечный резонатор

Одно дело, когда люди теряют счет времени, но что происходит, когда это делают наши часы? В мире, который становится все более сетевым, устройства должны быть более пунктуальными, чем когда-либо. Чтобы они работали так, как мы ожидаем, они зависят от армии крошечных вибрирующих компонентов.

Открытие группы под руководством ученых из Центра наноразмерных материалов (CNM), пользовательского центра Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории, может в конечном итоге помочь улучшить такие компоненты в ряде электронных устройств и даже создать устройства, которые имитировать биологические процессы.Исследователи впервые разработали микромеханическое устройство, которое реагирует на внешние сигналы совершенно новым способом по сравнению с обычными. Их работа, проведенная командой из пяти учреждений, включая Аргонн, была недавно опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Новинка здесь в том, что если правильно возбудить это резонаторное устройство, конструкция будет вибрировать со спектром, состоящим из нескольких частот, равномерно распределенных, несмотря на то, что она приводится в движение одной частотой.— Даниэль Лопес, руководитель группы нанопроизводства и устройств Центра наноразмерных материалов

.

Типичный резонатор в электронном устройстве реагирует на один сигнал с одной соответствующей частотой. В наручных часах, например, кварцевый резонатор вибрирует с определенной частотой при подаче определенного напряжения, и эта вибрация отмечает время. Но многозадачная сеть устройств может потребовать ответов более чем на одной частоте, и здесь все становится сложнее.

«Для каждого устройства, работающего на определенной частоте, вам нужен источник синхронизации», — сказал наноученый CNM Дэйв Чаплевски, ведущий автор статьи. «Наличие нескольких устройств, работающих на разных частотах, делает систему намного более сложной».

В то время как общий подход к этой проблеме включает несколько резонаторов, несколько сигналов или и то, и другое, исследователи создали один резонатор микроразмера, который может генерировать несколько частот из одного сигнала. Этот набор частот называется частотной гребенкой, названной так из-за того, что частоты кажутся равномерно расположенными, как зубы, на графике.

«Новинка здесь заключается в том, что если правильно возбудить это резонаторное устройство, конструкция будет вибрировать со спектром, состоящим из нескольких равномерно распределенных частот, несмотря на то, что она управляется одной частотой», — сказал Даниэль Лопес, группа руководитель группы нанопроизводства и устройств CNM и соавтор статьи. «Вместо того, чтобы изготавливать отдельный генератор для каждого устройства, вы можете изготовить один генератор, который может генерировать сигнал на всех необходимых частотах.

Исследование частично проводилось в CNM, где исследователи разработали резонатор и использовали методы электрических характеристик для измерения его откликов. Кремниевое устройство размером не больше нескольких крупинок соли, сложенных встык, закрепляет три луча, которые движутся вместе в двух вибрациях: колебательном движении из стороны в сторону и скручивающем движении. Исследователи использовали эту двойственность для создания частотной гребенки.

«Мы используем взаимодействие между этими двумя вибрациями, чтобы получить частотную характеристику, которая в конечном итоге выглядит как частотная гребенка», — сказал Чаплевски.

Частотные гребенки чаще используются в области оптики, где они состоят из импульсов лазерного света и могут использоваться для точного измерения времени. Исследователи заявили, что в другом приложении эта механическая частотная гребенка может использоваться для изучения определенного типа динамики, известного как бифуркация SNIC (седло-узел на инвариантной окружности) в механических, оптических и биологических системах. Например, в биологических условиях понимание этого поведения может помочь в разработке микромеханических элементов, имитирующих реакцию нейронов на раздражители.Математические расчеты, описывающие колебания в этом резонаторе, были выполнены в сотрудничестве с группой экспертов в области нелинейной динамики из нескольких университетов.

Следующим шагом в исследовании, по словам Лопеса, будет воспроизведение явления частотной гребенки в высокочастотных резонаторах и увеличение количества «зубцов» — или частот — которые могут быть сгенерированы.

Это исследование частично финансируется Управлением науки Министерства энергетики США.

Ультрафиолетовое зондирование с использованием встроенного планарного микроволнового резонатора высокого разрешения с нанотрубками TiO2

В этом документе представлена ​​уникальная интегрированная концепция обнаружения ультрафиолетового излучения и представлено устройство с пределом обнаружения 1.96 нВт см −2 . Сочетание высокого качества, плоского микроволнового резонатора ( Q ∼ 50 000) с полупроводниковым наноматериалом обеспечивает революционную потенциальную парадигму для фотодетектирования низкой интенсивности света и малых форм-факторов. Представленное устройство использует микроволновый микрополосковый резонатор высокого разрешения в качестве преобразователя сигнала для преобразования различных диэлектрических свойств (диэлектрической проницаемости и проводимости) мембраны из нанотрубок в электрические сигналы, такие как резонансная частота, добротность и резонансная амплитуда.СВЧ-резонатор имеет активную петлю обратной связи для повышения исходной добротности резонатора с 200 до 50 000 и приводит к повышению разрешающей способности зондирования на порядки. Нанотрубки Anatase TiO 2 собраны на поверхности микроволнового резонатора. При воздействии УФ-света генерация, захват и рекомбинация электронно-дырочных пар в нанотрубках используются в качестве уникальной сигнатуры для количественной оценки интенсивности УФ-излучения. Изменение диэлектрических свойств мембраны из нанотрубок контролируется с помощью лежащего в основе активного микроволнового резонатора.Предлагаемая концепция позволяет обнаруживать и контролировать ультрафиолетовый свет с высоким разрешением, с очень малой мощностью воздействия и встроенными форм-факторами.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз?

Заявка на патент США для заявки на патент RESONATOR DEVICE (заявка № 20210159873, выданная 27 мая 2021 г.)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие в целом относится к интегральным схемам и, более конкретно, к интегральной схеме, имеющей резонатор.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Комплементарные устройства металл-оксид-полупроводник (КМОП) являются основными компонентами интегральных схем для реализации цифровой логики. КМОП-устройство обычно включает в себя транзистор металл-оксид-полупроводник p-типа (PMOS), используемый для подтягивания выхода к высокому логическому уровню, и транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа (NMOS), используемый для понижения выходного сигнала до низкого логического уровня. , в зависимости от входного сигнала, подаваемого на затворы транзисторов PMOS и NMOS. В то время как устройства CMOS могут использоваться для цифровой обработки сигналов для беспроводной связи, другие типы электронных компонентов могут использоваться для выполнения различных других функций, таких как усиление и фильтрация сигнала для беспроводной связи.Например, устройство объемной акустической волны (ОАВ) может использоваться для фильтрации в системах беспроводной связи. ОАВ представляет собой акустическую волну, проходящую через пьезоэлектрический слой. Устройства ОАВ могут быть реализованы как фильтры путем преобразования электрической энергии в механическую и наоборот.

РЕЗЮМЕ

Некоторые аспекты обеспечивают интегральную схему (ИС). ИС обычно включает подложку, первую оксидную область, расположенную над подложкой, и резонатор, содержащий пьезоэлектрический слой, вторую оксидную область, расположенную под пьезоэлектрическим слоем и связанную с первой оксидной областью, и полость во второй оксидной области. при этом по меньшей мере часть второй оксидной области находится ниже полости.

Некоторые аспекты обеспечивают способ изготовления ИС. Способ обычно включает формирование первой оксидной области над подложкой; формирование резонатора путем формирования пьезоэлектрического слоя, формирования второй оксидной области, примыкающей к пьезоэлектрическому слою, и формирования полости во второй оксидной области, при этом по меньшей мере часть второй оксидной области находится ниже полости; и соединение первой оксидной области и второй оксидной области.

Другие аспекты, преимущества и особенности настоящего раскрытия станут очевидными после просмотра всей заявки, включая следующие разделы: Краткое описание чертежей, Подробное описание и Формула изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 иллюстрирует примерную реализацию системы на кристалле (SOC).

РИС. 2А и 2В иллюстрируют примерные интегральные схемы (ИС), имеющие резонатор, в соответствии с некоторыми аспектами настоящего раскрытия.

РИС. 3, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A и 6B иллюстрируют примерные операции или последовательность операций для изготовления ИС в соответствии с некоторыми аспектами настоящего раскрытия.

РИС. 7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерные операции изготовления ИС в соответствии с некоторыми аспектами настоящего раскрытия.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Со ссылкой на чертежи описаны несколько иллюстративных аспектов настоящего изобретения. Слово «примерный» используется здесь для обозначения «служащего примером, экземпляром или иллюстрацией». Любой аспект, описанный здесь как «примерный», не обязательно должен рассматриваться как предпочтительный или выгодный по сравнению с другими аспектами.

Термины «вычислительное устройство» и «мобильное устройство» используются здесь взаимозаменяемо для обозначения любого одного или всех серверов, персональных компьютеров, смартфонов, сотовых телефонов, планшетных компьютеров, портативных компьютеров, нетбуков, ультрабуков, карманных компьютеров, помощники по работе с персональными данными (PDA), беспроводные приемники электронной почты, мультимедийные сотовые телефоны с доступом в Интернет, приемники глобальной системы позиционирования (GPS), беспроводные игровые контроллеры и аналогичные персональные электронные устройства, которые включают программируемый процессор.Хотя различные аспекты особенно полезны в мобильных устройствах (например, смартфонах, портативных компьютерах и т. д.), которые имеют ограниченные ресурсы (например, вычислительная мощность, батарея, размер и т. д.), аспекты, как правило, полезны в любом вычислительном устройстве, которое может выиграть от повышения производительности процессора и снижения энергопотребления.

Термин «многоядерный процессор» используется здесь для обозначения микросхемы с одной интегральной схемой (ИС) или пакета микросхем, который содержит два или более независимых процессорных блока или ядра (например,g., ядра ЦП и т. д.), сконфигурированные для чтения и выполнения программных инструкций. Термин «мультипроцессор» используется здесь для обозначения системы или устройства, которое включает в себя два или более процессорных блока, сконфигурированных для считывания и выполнения программных инструкций.

Термин «система на кристалле» (SoC) используется здесь для обозначения одной микросхемы интегральной схемы (ИС), которая содержит несколько ресурсов и/или процессоров, интегрированных на одной подложке. Один SoC может содержать схемы для цифровых, аналоговых, смешанных сигналов и радиочастотных функций.Одна SoC может также включать любое количество процессоров общего назначения и/или специализированных процессоров (процессоры цифровых сигналов (DSP), модемные процессоры, видеопроцессоры и т. д.), блоки памяти (например, ПЗУ, ОЗУ, флэш-память и т. д.) и ресурсы (например, таймеры, регуляторы напряжения, генераторы и т. д.), любой или все из которых могут быть включены в одно или несколько ядер.

Описанные здесь технологии памяти могут быть пригодны для хранения инструкций, программ, управляющих сигналов и/или данных для использования в компьютере или другом цифровом электронном устройстве.Любые ссылки на терминологию и/или технические детали, относящиеся к отдельному типу памяти, интерфейсу, стандарту или технологии памяти, предназначены только для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема формулы изобретения конкретной системой памяти или технологией, если это специально не указано на языке претензий. Архитектуры мобильных вычислительных устройств усложнились и теперь обычно включают в себя несколько ядер процессоров, SoC, сопроцессоры, функциональные модули, включая выделенные процессоры (например,например, микросхемы коммуникационных модемов, приемники GPS и т. д.), сложные системы памяти, сложные электрические соединения (например, шины и/или коммутационные сети) и множество других ресурсов, которые выполняют сложные и энергоемкие программные приложения (например, приложения для потоковой передачи видео, и т.д.).

Пример системы на кристалле

РИС. 1 иллюстрирует пример компонентов и взаимосвязей в системе на кристалле (SoC) 100 , подходящей для реализации различных аспектов настоящего изобретения.SoC 100 может включать в себя ряд гетерогенных процессоров, таких как центральный процессор (ЦП) 102 , модемный процессор 104 , графический процессор 106 и процессор приложений 108 . Каждый процессор 102 , 104 , 106 , 108 может включать в себя одно или несколько ядер, и каждый процессор/ядро может выполнять операции независимо от других процессоров/ядер. Процессоры 102 , 104 , 106 , 108 могут быть расположены в непосредственной близости друг от друга (например,например, на одной подложке, кристалле, интегрированном чипе и т. д.), чтобы процессоры могли работать на гораздо более высокой частоте/тактовой частоте, чем это было бы возможно, если бы сигналы проходили вне кристалла. Близость ядер может также обеспечить совместное использование встроенной памяти и ресурсов (например, линий напряжения), а также более скоординированное взаимодействие между ядрами.

SoC 100 может включать системные компоненты и ресурсы 110 для управления данными датчиков, аналого-цифрового преобразования и/или беспроводной передачи данных, а также для выполнения других специализированных операций (например,г., декодирование видео высокого разрешения, обработка видео и др.). Системные компоненты и ресурсы 110 могут также включать такие компоненты, как регуляторы напряжения, генераторы, контуры фазовой автоподстройки частоты (PLL), периферийные мосты, контроллеры данных, системные контроллеры, порты доступа, таймеры и/или другие аналогичные компоненты, используемые для поддержки процессоры и программные клиенты, работающие на вычислительном устройстве. Системные компоненты и ресурсы 110 могут также включать схемы для взаимодействия с периферийными устройствами, такими как камеры, электронные дисплеи, устройства беспроводной связи, внешние микросхемы памяти и т. д.

SoC 100 может дополнительно включать в себя контроллер 112 универсальной последовательной шины (USB), один или несколько контроллеров памяти 114 и централизованный диспетчер ресурсов (CRM) 116 . SoC 100 может также включать в себя модуль ввода/вывода (не показан) для связи с внешними по отношению к SoC ресурсами, каждый из которых может совместно использоваться двумя или более внутренними компонентами SoC.

Процессоры 102 , 104 , 104 , 106 , 108 могут быть взаимосвязаны на USB-контроллер 112 , контроллер памяти 114 , системные компоненты и ресурсы 110 , CRM 116 , и/или другие системные компоненты через модуль соединения/шины 122 , который может включать в себя массив реконфигурируемых логических вентилей и/или реализовывать шинную архитектуру (например,g., CoreConnect, расширенная архитектура шины микроконтроллера (AMBA) и т. д.). Коммуникации также могут обеспечиваться усовершенствованными межсоединениями, такими как высокопроизводительные сети на кристалле (NoC).

Модуль межсоединения/шины 122 может включать в себя или предоставлять систему управления шиной, сконфигурированную для предоставления компонентам SoC (например, процессорам, периферийным устройствам и т. д.) монопольного управления шиной (например, для передачи данных в пакетном режиме, передачи блоков режим и т. д.) в течение заданной продолжительности, количества операций, количества байтов и т. д.В некоторых случаях модуль межсоединения/шины , 122, может реализовывать схему арбитража для предотвращения попыток одновременного управления шиной несколькими ведущими компонентами.

Контроллер памяти 114 может быть специализированным аппаратным модулем, сконфигурированным для управления потоком данных в память 124 и из нее через интерфейс/шину памяти 126 . Контроллер , 114, памяти может содержать один или несколько процессоров, сконфигурированных для выполнения операций чтения и записи с памятью , 124, .Примеры процессоров включают микропроцессоры, микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры (DSP), программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), программируемые логические устройства (PLD), конечные автоматы, вентилируемую логику, дискретные аппаратные схемы и другое подходящее оборудование, сконфигурированное для выполнения различных функций. описан в этом раскрытии. В некоторых аспектах память 124 может быть частью SoC 100 .

Пример резонаторного устройства

В нынешнюю эру пятого поколения (5G) и грядущую эру шестого поколения (6G) беспроводная связь через радиоинтерфейс со скоростью более 10 гигабит в секунду (Гбит/с) с малой задержкой для различных приложений становится все более важным.Эти приложения могут включать в себя автономное вождение, отраслевой Интернет вещей (IOT), удаленные медицинские операции / совместное использование ресурсов, информационно-развлекательные системы, игры, образование и интерактивное сотрудничество с искусственным интеллектом (AI), виртуальной реальностью (VR), дополненной реальностью (AR). устройства смешанной реальности (MR) и расширенной реальности (XR). Передача больших объемов данных с живым видео высокой четкости (HD) и передачей аудиоконтента с высокой точностью передачи голоса по интернет-протоколу (VoIP) для MR и XR требует как нисходящей, так и восходящей линии связи со скоростью, намного превышающей 10 Гбит/с, что может быть реализовано с миллиметровой волной (mmWave). ) связи, которые предлагают более широкую полосу пропускания.

Чтобы удовлетворить этот спрос, были разработаны передовые полупроводниковые технологии для входных каскадов радиочастотных интегральных схем (RFIC) с частотой менее 6 ГГц и миллиметровых/монолитных микроволновых ИС (MIMIC). Эти полупроводниковые технологии могут включать биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) на основе арсенида галлия (GaAs), транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов (pHEMT), биполярный транзистор с двойным гетеропереходом на основе фосфида индия (InP) (DHBT). , и нитрид галлия (GaN) HEMT категории III-V полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), а также усовершенствованные кремниевые комплементарные технологические узлы металл-оксид-полупроводник (CMOS) по объемным, кремний-на-изоляторе (SOI) и полностью истощенные технологические платформы (FD)-SOI, которые были разработаны за последнее десятилетие для современных модемов, датчиков, биометрических данных и чипов искусственного интеллекта.

Некоторые аспекты настоящего раскрытия направлены на структуру устройства объемного акустического резонатора из кристаллической пленки (X-FBAR) и способ формирования резонаторов с высоким коэффициентом электромеханической связи (k T 2 ) и широкополосных фильтров с технологическим потоком с использованием пьезоэлектрической пленки из монокристаллического нитрида алюминия (AlN) (или нитрида алюминия-скандия (ScAlN)) перед формированием воздушной полости в микроэлектромеханических системах (MEMS). Устройство X-FBAR может быть реализовано как автономное устройство, реализованное с использованием соединения оксид-оксид, или интегрировано с схемой кремния (Si)-CMOS на трехмерной (3D) интегральной схеме (3DIC) с гибридным соединением оксида меди. , которые могут предложить более широкую полосу пропускания по сравнению с обычными поликристаллическими и кристаллическими фильтрами FBAR.Для реализации монолитной 3DIC интеграция КМОП-ИС на основе кремния в качестве логического контроллера основной полосы частот с устройствами категории III-V (например, GaAs pHEMT/метаморфический HEMT (mHEMT), InP DHBT, GaN-HEMT и т. д.) для радиочастотного фронта Конечные ключевые элементы/блоки (например, усилитель мощности (УМ), малошумящий усилитель (МШУ), РЧ-переключатель и смесители) могут иметь важное значение для достижения преимуществ по мощности, производительности, площади и стоимости (PPAC).

Помимо более широкой полосы пропускания фильтра, имеющего монокристаллические устройства X-FBAR с более высоким коэффициентом электромеханической связи (k T 2 ) и интеграцией с компонентами CMOS, такими как усилитель мощности (PA), малошумящий усилитель (LNA ), переключатель (SW) и логическая схема, некоторые аспекты настоящего раскрытия обеспечивают дополнительные преимущества в отношении мощности, производительности, площади и тепловых характеристик.Другими словами, FBAR, реализованный с монокристаллической пьезоэлектрической пленкой AlN, может иметь более узкую ширину на полувысоте (FWHM) и, следовательно, иметь более высокое значение k T 2 по сравнению с обычными реализациями FBAR. с использованием поликристаллической пленки AlN. Коэффициент электромеханической связи (k T 2 ) является мерой способности акустического слоя резонатора к электромеханическому преобразованию (например, FBAR). Например, некоторые аспекты позволяют использовать относительно короткие РЧ-тракты, которые уменьшают связанные с РЧ резистивные и паразитные потери от FBAR к компонентам CMOS через многослойную подложку.Кроме того, компактный размер микросхемы 3DIC может быть реализован с помощью гибридного соединения кристалла с пластиной (D2 W) или пластины с пластиной (W2 W) X-FBAR с CMOS IC, что уменьшает количество межмодульной металлической разводки, хотя подложка из ламината. Некоторые аспекты настоящего раскрытия могут также улучшать тепловые характеристики устройства за счет более низкой общей температуры устройства, вызванной более низкими радиочастотными потерями.

РИС. 2А и 2В иллюстрируют примеры интегральных схем (ИС) , 200, , , 260, , имеющих резонатор , 201, (например,g., X-FBAR), в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. Резонатор 201 включает в себя пьезоэлектрический слой 202 AlN с химическим осаждением из паровой фазы (MOCVD) (или пьезоэлектрический слой AlN, полученный методом молекулярно-лучевой эпитаксии), расположенный поверх резонатора микроэлектромеханических систем (MEMS) . 204 . Полость 204 сформирована в слое оксидной структуры (OSL) 220 .

Резонатор 201 также включает металлический контакт 206 , примыкающий к полости 204 , образующий нижний электрод резонатора 201 .Как показано, металлический контакт 206 может быть соединен с металлическим контактом 208 с помощью переходного отверстия 210 (например, V 1 ), сформированного через пьезоэлектрический слой 202 . Верхний электрод резонатора 201 может быть сформирован с использованием металлического контакта 212 .

Как показано, оксидная область 214 может быть расположена ниже OSL 220 , которая может быть связана оксидом (OB) с оксидной областью 222 , сформированной на подложке 224 .Одно или несколько отверстий 270 , 272 (например, также называемых «полостью через (CV)» или «выпускным отверстием») могут быть сформированы через OSL 220 и пьезоэлектрический слой 202 для формирования полости 204 , как показано на рисунке.

В некоторых аспектах резонатор 201 может быть соединен с КМОП-ИС 203 , как показано на фиг. 2Б. Например, КМОП-компоненты , 225, могут быть сформированы над подложкой , 290, (например,г., кремниевая (Si) КМОП-пластина). Диэлектрический материал 250 (например, диоксид кремния (SiO 2 )) и межслойный диэлектрик (ILD) 251 могут быть расположены рядом с компонентами CMOS, как показано. Медные контакты 254 , 256 могут быть сформированы рядом с оксидными областями 222 , 214 соответственно, которые могут использоваться для электрического соединения с КМОП-компонентами. Медные контакты 254 , 256 могут быть соединены с использованием процесса гибридного соединения (FIB).Как показано, металлический контакт 206 может быть соединен с медным контактом 256 через контакт 241 и через 240 , сформированный через OSL 220 . В некоторых аспектах над резонатором 201 может быть сформирован герметизирующий элемент (например, тонкопленочная герметизация (TFE)).

РИС. 3, 4А, 5А и 6А иллюстрируют операции или последовательность операций для изготовления ИС 200 , тогда как на ФИГ. 3, 4B, 5B и 6B иллюстрируют операции или последовательность операций для изготовления IC 260 в соответствии с некоторыми аспектами настоящего раскрытия.Как показано на фиг. 3, пьезоэлектрический слой , 202, может быть нанесен на подложку , 302, (например, Si-подложку). Пьезоэлектрический слой , 202, может быть нанесен с использованием MOCVD. Как показано на фиг. 4A, при формировании ИС 200 металлический слой 255 (включая металлический контакт 206 ) может быть выполнен по рисунку на пьезоэлектрическом слое 202 , а OSL 220 может быть сформирован поверх узорчатого металлического слоя. . В некоторых аспектах оксидная область , 214, может быть сформирована над OSL , 220, .

Как показано на РИС. 4B, при формировании IC 260 могут быть образованы сквозные отверстия и контакты для электрического соединения с КМОП-компонентами КМОП IC 203 . Например, контакт 241 и через 240 могут быть образованы через OSL 220 , а медный контакт 256 может быть образован в оксидной области 214 .

Как показано на РИС. 5А, при формировании ИС 200 подложка 302 переворачивается (т.д., перевернутый) на подложку 224 для оксидного связывания оксидных областей 222 , 214 . Кроме того, как показано на фиг. 5B, при формировании ИС 260 подложка 302 переворачивается на подложку 290 (например, КМОП-пластина) для гибридного соединения. Например, оксидные области 222 , 214 могут быть соединены, а медные контакты 254 , 256 могут быть соединены. Как показано на фиг. 5А и 5В, подложка , 302, может быть удалена (т.г., после склеивания). Как показано на фиг. 6А и 6В, при формировании соответствующих ИС 200 , 260 для резонатора 201 могут быть сформированы переходные и металлические контакты (например, электроды). Например, сквозное отверстие 210 может быть сформировано через пьезоэлектрический слой 202 , металлический контакт 208 может быть сформирован над пьезоэлектрическим слоем 202 , а металлический контакт 212 может быть сформирован над пьезоэлектрическим слоем 9078. 202 .То есть металлический контакт 206 и металлический контакт 212 могут быть сформированы на противоположных сторонах (например, нижней стороне и верхней стороне) пьезоэлектрического слоя 202 . Как показано на фиг. 2A и 2B, сформировано одно или несколько отверстий 270 , 272 , что позволяет сформировать полость 204 (например, с использованием процесса травления OSL 220 с сухим паром фтористого водорода (HF).

РИС. 7 представлена ​​блок-схема, иллюстрирующая примерные операции , 700, изготовления ИС в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения.Операции 700 могут выполняться производственным предприятием.

Операции 700 начинаются в блоке 702 с установки, формирующей первую оксидную область (например, оксидную область 222 ) над подложкой (например, подложкой 224 ), и в блоке

708 формирование резонатора (например, резонатора 201 ). Резонатор может быть сформирован путем формирования пьезоэлектрического слоя (например, пьезоэлектрического слоя 202 ), формирования второй оксидной области (например,g., OSL 220 и оксидную область 214 ), примыкающую к пьезоэлектрическому слою и образующую полость (например, полость 204 ) во второй оксидной области. По крайней мере, часть второй оксидной области находится ниже полости (например, после инвертирования резонатора). В блоке 706 установка связывает первую оксидную область и вторую оксидную область.

В некоторых аспектах формирование полости происходит после соединения в блоке 706 .

В некоторых аспектах пьезоэлектрический слой формируется поверх другой подложки (например,г., подложка 302 ). В этом случае операции 700 могут также включать переворачивание первой оксидной области поверх второй оксидной области перед соединением первой оксидной области и второй оксидной области и удаление другой подложки после соединения первой оксидной области. .

В некоторых аспектах вторая оксидная область включает первую часть (например, OSL 220 ), в которой сформирована полость, и вторую часть (например, оксидную область 214 ), которая связана с первой оксидной областью.В некоторых аспектах формирование полости может включать формирование одного или нескольких отверстий (например, отверстий , 270, , , 271, ) в пьезоэлектрическом слое.

Операции 700 могут также включать формирование первой контактной области (например, металлического контакта 206 ) таким образом, что первая контактная область находится между пьезоэлектрическим слоем и второй оксидной областью, и формирование второй контактной области (например, металлический контакт 212 ), примыкающий к пьезоэлектрическому слою, при этом первая контактная область и вторая контактная область примыкают к противоположным сторонам пьезоэлектрического слоя.В некоторых аспектах операции , 700, могут дополнительно предусматривать формирование одного или более электронных компонентов (например, КМОП-компонентов , 225, ) над подложкой, при этом первая оксидная область формируется над одним или более электронными компонентами. В некоторых аспектах операции 700 могут также включать формирование одного или нескольких первых контактов (например, медного контакта 254 ) в первой оксидной области, формирование одного или нескольких вторых контактов (например, медного контакта 256 ) в области первого оксида. вторую оксидную область и соединение по меньшей мере одного из одного или более первых контактов с соответствующим одним из одного или более вторых контактов.В некоторых аспектах вторая оксидная область включает первую часть (например, OSL 220 ), в которой сформирована полость, и вторую часть (например, оксидную область 214 ), которая связана с первой оксидной областью, операции 700 , дополнительно включая формирование переходного отверстия (например, переходного отверстия 240 ) через первую часть и соединение переходного отверстия с одним или несколькими вторыми контактами.

Различные иллюстративные схемы, описанные в связи с аспектами, описанными в настоящем документе, могут быть реализованы в интегральной схеме (ИС), такой как процессор, процессор цифровых сигналов (DSP), специализированная интегральная схема (ASIC), или с помощью интегральной схемы (ИС). программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) или другое программируемое логическое устройство.Процессор может быть микропроцессором, но в качестве альтернативы процессор может быть любым обычным процессором, контроллером, микроконтроллером или конечным автоматом. Процессор также может быть реализован как комбинация вычислительных устройств, например, комбинация DSP и микропроцессора, множество микропроцессоров, один или несколько микропроцессоров в сочетании с ядром DSP или любая другая подобная конфигурация.

Также отмечается, что рабочие этапы, описанные в любом из иллюстративных аспектов в данном документе, описаны для предоставления примеров.Описанные операции могут выполняться во множестве различных последовательностей, отличных от проиллюстрированных последовательностей. Кроме того, операции, описанные на одном рабочем этапе, могут фактически выполняться на нескольких различных этапах. Кроме того, могут быть объединены один или несколько рабочих этапов, рассмотренных в иллюстративных аспектах. Следует понимать, что этапы работы, проиллюстрированные на блок-схемах, могут подвергаться множеству различных модификаций, как будет очевидно специалисту в данной области техники.Специалисты в данной области техники также поймут, что информация и сигналы могут быть представлены с использованием любой из множества различных технологий и методов. Например, данные, инструкции, команды, информация, сигналы, биты, символы и чипы, на которые можно ссылаться в приведенном выше описании, могут быть представлены напряжениями, токами, электромагнитными волнами, магнитными полями или частицами, оптическими полями или частицами или любыми другими элементами. их сочетание.

Различные операции способов, описанных выше, могут выполняться любым подходящим средством, способным выполнять соответствующие функции.Средства могут включать в себя различные аппаратные и/или программные компоненты и/или модуль(и), включая, помимо прочего, схему, специализированную интегральную схему (ASIC) или процессор. Как правило, при наличии операций, показанных на рисунках, эти операции могут иметь соответствующие эквивалентные компоненты «средство плюс функция» с аналогичной нумерацией.

Используемая здесь фраза, относящаяся к «по меньшей мере одному из» списка элементов, относится к любой комбинации этих элементов, включая отдельные элементы.Например, «по крайней мере один из: a, b или c» предназначен для охвата a, b, c, a-b, a-c, b-c и a-b-c, а также любой комбинации с кратными значениями одного и того же элемента (например, a-a, a-a-a, a-a-b, a-a-c, a-b-b, a-c-c, bb, bb-b, b-b-c, c-c и c-c-c или любой другой порядок a, b и c).

Настоящее раскрытие предназначено для того, чтобы любой специалист в данной области техники мог создавать или использовать аспекты раскрытия. Различные модификации раскрытия будут очевидны специалистам в данной области техники, и определенные здесь общие принципы могут быть применены к другим вариантам без отклонения от сущности или объема раскрытия.Таким образом, изобретение не предназначено для ограничения примерами и конструкциями, описанными в настоящем документе, а должно иметь самый широкий объем, соответствующий принципам и новым признакам, раскрытым в настоящем документе.

Микроволновые резонаторы | Ноулз Точные устройства

Описание

Объемные резонаторы

DLI представляют собой идеальное решение для высокопроизводительных и недорогих генераторов СВЧ или миллиметровых волн. Запатентованные высокодобротные объемные резонаторы полностью экранированы и разработаны на основе нашей термостабильной керамики с высокой диэлектрической проницаемостью.
Был разработан инструмент моделирования эквивалентной схемы, который позволяет оптимизировать конструкцию генератора на основе резонатора и ограничивает значения элементов схемы реализуемыми комбинациями. Ниже приведены примеры моделей на частоте 8 ГГц. Две модели показаны с использованием керамики CF, одна с использованием FS и одна с использованием компьютерной графики.
Частоты конструкций резонаторов варьируются от <1,0 до >67 ГГц и могут быть настроены либо для монтажа на поверхность пайки, либо для применения в микросхемах и проводах. Используется высоконадежная тонкопленочная золотая металлизация, а допуск по частоте составляет всего 0.1% достижим.

Приложения

Системы : Ciruits
Автомобильная промышленность: Генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона
Радар: Фундаментальные генераторы фиксированной частоты со сверхнизким фазовым шумом (предыдущее решение: дорогие DRO и умноженный кристалл или устройство на основе ПАВ с пониженной производительностью)
Коммуникации: Узкополосные перестраиваемые генераторы VCO или генераторы с фазовой автоподстройкой частоты (обычно ± 3% настройки) (прежнее решение: дорогие DRO с варакторной настройкой) узлов, жилья и трудоемких операций, типичных для прежних решений.
Контрольно-измерительные приборы : Узкополосные фильтры с малыми потерями (предыдущее решение: устройства на ПАВ с низкими потерями, ограничением частоты и низкой производительностью)

Одночастотные объемные резонаторы

Показана эквивалентная схема одночастотного объемного резонатора (SFCR) вблизи его самой низкой резонансной частоты. Самая низкая мода резонанса обычно используется в конструкциях генераторов и фильтров. Значения элементов показаны для SFCR 9,95 ГГц. Резонансная частота задается параллельной комбинацией Cp и Lp, конечное ненагруженное Q — R.Последовательная емкость Cs соединяет резонатор LC с входной площадкой, тем самым устанавливая связь между внешней цепью и частотно-регулирующим резонатором LC. Емкость Csh представляет собой паразитную емкость между входом и землей. Все эти элементы сети обладают отличной воспроизводимостью, обеспечивая жесткий контроль над резонансной частотой, связью и входным импедансом. Структура также обеспечивает встроенную функцию блокировки постоянного тока, таким образом исключая элемент, чувствительный к допускам, из списка материалов.Для моделирования цепей с широкой полосой пропускания рекомендуются S-параметры. S-параметры доступны для скачивания (ССЫЛКА). Резонаторы повторно настраиваются по частоте, связи, добротности, настраиваемости и требованиям к сборке.

На этом графике показана типичная стабильность частоты SFCR в зависимости от температуры для стандартных диэлектрических материалов DLI.

Выборка репрезентативных характеристик SFCR показана в таблице ниже, чтобы проиллюстрировать переменные конструкции первичного резонатора (частота резонанса, диэлектрическая проницаемость материала полости, размеры длины на ширину).Взаимодействие этих переменных более подробно обсуждается в следующем разделе. На нагруженную добротность резонаторов влияют коэффициент связи (обозначенный в таблицах с точки зрения обратных потерь), выбор материала (диэлектрическая проницаемость) и толщина материала. Как правило, резонаторы, изготовленные из толстых материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, способны выдерживать самые высокие значения добротности. Для справки, когда резонатор имеет коэффициент связи 1,0, он будет демонстрировать отличные обратные потери на резонансной частоте, а значение добротности без нагрузки будет в 2 раза больше значения добротности с нагрузкой.Желаемый уровень резонаторной связи зависит от индивидуальных требований схемы, таких как настройка частоты варактора или величина отрицательного сопротивления транзистора. Показанные значения Q ненагруженных корпусов составляют до 2000, что явно является новым стандартом для компонента, совместимого с автоматизированной сборкой. В отличие от других микроволновых резонаторов с высокой КЯ объемный резонатор DLI полностью автономен. Большие и дорогие корпуса не нужны. Его нагруженная добротность и резонансная частота могут быть непосредственно измерены с использованием технологии копланарного радиочастотного зонда.Таким образом, неоднозначность специальных испытательных приспособлений и компонентов, которые не соответствуют реализации продукта, исключаются из оценки детали.
  • Устранение старых, дорогих корпусов
  • Измерено с помощью копланарных ВЧ-преобразователей – приспособления не требуются
  • Автоматизированная сборка
  • Q до 2000

Оценка размера резонатора

Размер объемного резонатора определяется желаемой резонансной частотой и выбранным керамическим материалом.При той же резонансной частоте материал с более высокой диэлектрической проницаемостью будет иметь меньший размер по сравнению с материалом с более низкой диэлектрической проницаемостью. Резонаторы обычно изготавливаются из толстой керамики, добротность которой увеличивается с увеличением толщины материала. Приведенные ниже диаграммы можно использовать в качестве руководства для оценки размеров резонатора на типичных материалах DLI. Конструкции имеют слегка прямоугольную форму. Отношение длины к ширине обычно меньше 1,2:1. За дополнительной информацией обращайтесь на завод.

 

Настройка SFCR

DLI имеет возможность лазерной подстройки частоты объемного резонатора примерно на 2% от фактической резонансной частоты.Резонаторы включают литографически определенные «змеиные глаза», которые лазер может распознать как отправную точку для обрезки золота. Доступны частоты выше и ниже этого диапазона. В таблице ниже показана матрица резонансных частот и их настраиваемый диапазон.


На приведенном ниже графике показан резонатор с частотой 9,9 ГГц, частота которого была снижена с помощью лазерной подгонки прорезей через золотую металлизацию. В этом конкретном примере деталь была обработана лазером примерно на 96 МГц ниже ее истинной резонансной частоты (1%).Настройка резонаторов по частоте возможна с помощью фотолитографии для определения пазов на верхней стороне схемы резонатора. Соединение проводов через слоты настроит устройство по частоте.

 

 

Варианты монтажа

Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими указаниями по применению, в которых подробно описаны два различных метода монтажа SFCR.

.

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.