ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК G02B26/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике и интегральной оптике и может быть использовано для создании малоинерционных оптических логических устройств и пикосекундных переключателей, работающих в УФ-, видимом и ИК-диапазонах длин волн (в том числе в качестве быстродействующих защитных устройств от УФ-излучения и пассивных затворов в импульсных твердотельных неодимовых лазерах).

Известные оптические переключатели (ключи) (независимо от сложности конструкции) являются элементом, который может находиться в двух различных состояниях, характеризующихся высоким (открытое состояние) и низким (закрытое) пропусканием T на заданной длине волны излучения λ_возб. В идеальном ключе в открытом состоянии T 1, а в закрытом T 0, переход из одного состояния в другое происходит мгновенно. Основными параметрами оптического ключа являются контраст ключа M T₀/T_з, где T₀, T_з пропускание ключа в открытом и закрытом состояниях соответственно; быстродействие, характеризуемое временами включения, выключения и частотой переключения; энергия E₀ удержания ключа в закрытом состоянии; энергия E₁, с превышением которой ключ всегда находится в открытом состоянии; энергия E_B E₁ E₀, расходуемая на переключение.

Известной группой оптических переключающих элементов являются тонкопленочные интерферометры (ТПИ) Фабри-Перо. Они представляют собой многослойную интерференционную систему, состоящую из двух диэлектрических зеркал, формируемых чередующимися четвертьволновыми слоями одинаковой оптической толщины с высоким n_в и низким n_н показателями преломления, l_вn_в= l_нn_н= λ_m/4(λ_m длина волны пика пропускания интерферометра) и промежуточного слоя заданной толщины ln = mλ_m/2 (m порядок интерференции, как правило, m 2). В качестве нелинейного (промежуточного) слоя в известных ТПИ-переключателях применяются однокомпонентные пленки произвольной структуры. Эксплуатационные характеристики известных ТПИ-ключей задаются оптической толщиной nl и материалом промежуточного слоя.

Были изготовлены ТПИ-переключатели и логические элементы на основе целого ряда высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов. Чрезвычайно большой интерес к ТПИ-переключателям связан с принципиальной возможностью создания приборов на основе хорошо освоенного технологами вакуумного напыления интерференционных структур (R. J. Campbell, J. G. H. Mathew, S. D. Smith and A. C. Walker, J. Modern Optics, 1989. vol. 36, N3. p. 323-336).

Конструкция известного ТПИ-переключателя приведена на фиг. 1,a. В статическом состоянии ТПИ-элемент (m 2) характеризуется контуром пропускания, приведенным на фиг. 1,б. Характеристиками его являются длина волны максимума пропускания λ_m величина коэффициента пропускания в максимуме T_max и ширина полосы пропускания δλ_0.5 для значения пропускания, равного половине максимального T_max/2 (обычно обозначается как δλ) ). Положение по спектру пропускания λ_m и величина коэффициента пропускания в интерференционном пике T_max задают рабочий диапазон длин волн и контраст ТПИ-переключателя (А. Эйбрэхэм, К.Т.Ситон, Д.Смит. В мире науки, 1983, N 4, с. 15-25).

В основе работы известного ТПИ-переключателя лежат зависимости коэффициента пропускания ТПИ

и усредненной по толщине интенсивности поля в его промежуточном слое

от набега фаз δ интерферирующих световых волн при проходе промежуточного слоя

где n показатель преломления, a коэффициент поглощения, l - геометрическая толщина промежуточного слоя, величины R, q и Φ соответственно коэффициент отражения зеркал, угол между направлением распространения лучей в промежуточном слое и нормалью к нему и скачок фазы при отражении от зеркал.

В случае, когда промежуточный слой представляет собой пленочную среду, проявляющую оптическую нелинейность показателя преломления, феноменологически описываемую выражением

где n₂ параметр этой нелинейности, n₀ показатель преломления высокопреломляющего (низкопреломляющего) материала промежуточного слоя в слабом световом поле,
наличие всех перечисленных зависимостей приводит к динамическому сдвигу контура пропускания, который и служит основой работы известных оптических переключающих устройств (см. фиг. 1,б). Если первоначально длина волны воздействующего светового пучка находится вдали от пика пропускания ТПИ-элемента (фиг. 1,б, кривая 1), причем знак отстройки противоположен знаку коэффициента нелинейности показателя преломления, то увеличение входной интенсивности смещает контур пропускания ТПИ-элемента в сторону λ_возб вследствие светоиндуцированной рефракции (фиг. 1,б, кривая 2). Это смещение приводит к возрастанию плотности поля внутри промежуточного слоя ТПИ-элемента (благодаря интерференционному усилению ), тем самым толкая контур пропускания ТПИ-элемента еще ближе к λ_возб При некоторых условиях этот процесс становится самоподдерживающимся, приобретая лавинообразный характер, и контур ТПИ-элемента скачком переходит в состояние максимального пропускания на длине волны возбуждения (открытое состояние). Здесь плотность светового поля внутри интерферометра особенно велика, и поэтому контур пропускания ТПИ-элемента продолжает движение за T_max на длине волны возбуждения до тех пор, пока уменьшение за счет ухода от резонанса не остановит устройство в новом устойчивом состоянии (фиг. 1,б, кривая 3). Поскольку в этом состоянии ТПИ-элемент характеризуется высоким пропусканием, то для удержания его в этой точке требуется меньшая входная интенсивность вследствие почти максимального резонансного усиления Таким образом, существует ключевая зависимость интенсивности выходящего светового I_т пучка и плотности мощности светового поля внутри нелинейного слоя ТПИ от интенсивности падающего светового пучка I₀ (H. M.Gibbs, S.L.McCall, T. N. C.Venkatesan. Optical Engineering. 1980, vol. 19, N4, р. 463-468). Выключение ТПИ-элемента происходит за счет уменьшения интенсивности падающего сигнала. Время переключения τ_sw определяется временем релаксации нелинейности.

Несмотря на эффективность известного переключающего устройства, позволяющего получать высокий контраст переключения за счет малых сдвигов контура пропускания достижение нелинейного пропускания ТПИ-элемента осложняется технологическими ограничениями толщины нелинейного слоя значениями
Большим недостатком известного ТПИ-ключа является также инерционность теплового механизма нелинейности промежуточного слоя. Используемая в переключающих ТПИ-элементах нелинейность тепловой природы не позволяет достичь высокого быстродействия. Время восстановления в лучших системах такого рода (R 90% T_max 60% δλ 2 нм) на монокристаллических подложках с высокими коэффициентами теплопроводности Al₂O₃, SiO₂, BaF₂ при диаметре фокусировки ⊘ ≈ 10 мкм составляет τ ≈ 100 ... 20 мкс при непрерывном возбуждении и 0,5 мкс при квазиимпульсном тактировании входного сигнала (G.V.Sinitsyn. Phys. Stat. Sol.(b). 1988, vol. 150, N 2, р. 455-464).

При изготовлении известных ТПИ-переключателей широко применяются методы испарения и распыления, а в случаях проводящих прозрачных покрытий - химического осаждения из паровой фазы. Методы плазменной полимеризации и ионного распыления пока не используются. Распыление и испарение достаточно сложные процессы, включающие распыление или испарение индивидуальных атомов или молекул исходного объемного материала мишени, транспортировку газовой фазы и конденсацию ее на поверхности подложки. Вследствие ряда силовых физических процессов, изменяющих при этом состояние вещества (плавление, испарение и т. п. ), число неорганических соединений, удобных для изготовления известных ТПИ-переключателей, существенно ограничено. Из них следует выбрать лишь те, которые в рамках конкретной технологии обеспечивают воспроизводимость стехиометрического состава исходных материалов в пленочных покрытиях, что ограничивает диапазон длин волн, где могут быть изготовлены известные ТПИ-переключатели.

Следующим недостатком известных ТПИ-переключателей является временная нестабильность спектральных и амплитудных характеристик, обусловленная структурной, химической и механической нестабильностью устройства (R.J.Campbell, J. G. H. Mathew, S.D.Smith, A.C.Walker. Appl.Opt. 1990, vol. 29, N5. р 638-643). Основные причины нестабильности многослойных пленочных устройств обусловлены отличием структуры отдельных пленочных слоев от монокристаллической, возможностью механических напряжений на их границах и наличием подложки.

Контроль технологических параметров, влияющих на временную стабильность ТПИ-ключа, трудно осуществить, так как знания о параметрах, которые необходимо контролировать, являются неполными и из-за отсутствия инструментальной оснастки для такого контроля. Поэтому вопрос об изготовлении стабильных ТПИ-ключей решается отдельно в рамках каждой технологии физического наращивания пленочных покрытий с учетом свойств исходных материалов.

Нестабильность пленочных систем на основе высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов определяется не только неоднородностью их структуры, приводящей к процессам перекристаллизации при наличии тепловых воздействий, но и физическими свойствами самих исходных материалов, нетвердостью, окисляемостью и гигроскопичностью большинства из них.

Технология изготовления резонаторных ключей сложна и дорогостояща. К недостаткам резонаторных переключающих элементов относятся также необходимость создания внешних зеркал, ограничения, накладываемые на расходимость и когерентность световых потоков, а в случае пикосекундных механизмов нелинейности существенными могут быть ограничения, обусловленные необходимостью многих проходов луча в резонаторе. Достаточно сложной технологически и, в первую очередь, при условии использования многополосных (многочастотных) ТПИ-переключателей, характеризующихся большим числом рабочих длин волн, по-прежнему остается проблема изготовления ТПИ-переключателей с пиком пропускания в области резонанса электронного механизма нелинейности.

Реализация оптического переключателя возможна и без резонатора, но при повышающемся с увеличением интенсивности поглощении (абсорбционная нелинейность) (Н. Р.Кулиш, Н.И.Малыш, В.И.Рыков. УФЖ, 1993, vol. 38, N 4. р. 525-529).

Известен оптический переключатель, в котором нелинейный слой представляет собой планарный волновод с призменным элементом связи. Одновременное распределение излучения в волноводном слое делает известный переключатель похожим на безрезонаторную систему, в то время как взаимодействие излучения моды с излучением в устройстве связи обусловлено интерференцией и подобно таковому в ТПИ-элементах (P. Vincent, N.Paraire, M.Neviere et al. JOSA B. 1985, vol 2, N7, р. 1106-1116).

Конструкция волноводных переключателей элементов менее сложна в технологическом плане (по отношению к ТПИ-переключателям) (фиг. 2, а) и позволяет существенно увеличить длину оптического пути n1 обрабатываемого сигнала. Известные переключатели состоят из подложки 1 и сформированного на ней волноводного I-слоя 2. Контраст известного переключающего устройства требует высокого уровня модуляции амплитуды светового сигнала в нелинейном I-слое (см. фиг. 2, б).

В планарной волноводной конфигурации были изготовлены тонкопленочные переключатели и логические элементы на основе целого ряда материалов. В качестве одномодового волновода известные оптические переключатели использовали монокристаллические пленки ZnSe, выращенные методом металлоорганической фазовой эпитаксии на ориентирующих подложках GaAs (B.G.Kim, E.Garmire, N.Shibata, S. Zembutsu. Appl.Phys.Let.1987, vol. 51, N7, р. 475-477) и кварцевые слои (длиной l 10 мм), легированные микрокристаллами CdS (H.Jerominek, M. Pigeon, S.Patela, et al. J.Appl.Phys. 1988, vol. 63, N3, р. 957-959) и CdSSe (D. Cotter, C.N.Ironside, B.J.Ainslie et al. Opt.Let. 1989, vol. 14, N 6, р. 317-319). В качестве переключаемого сигнала использовалось непрерывное излучение неодимового лазера (λ_возб примерно составляет 488 нм), фокусируемое в волноводный слой с помощью объектива, и четырехпикосекундные лазерные импульсы с энергией E приблизительно равной 120 пДж на длине волны λ_возбприблизительно равной 610 нм, соответствующей краю поглощения образца. Порог включения известного переключателя внутри волновода составлял P приблизительно 15 мВт, а времена переключения τ_sw приблизительно равные 10-100 мкс. Тонкопленочная планарная конфигурация известных оптических переключателей элементов снижает энергетический порог срабатывания логического элемента по отношению к объемным аналогам. Что же касается времен релаксации, то более перспективной в таких безрезонаторных диссипативных переключающих элементах является оптическая нелинейность электронной природы.

К недостаткам известных оптических переключателей относится малоинерционный (тепловой) механизм нелинейности и высокая технологическая сложность изготовления. Известные оптические переключатели используют волноводные пленки, оптические потери в которых не должны превышать 1 дБ/см². Волноводы, изготовленные традиционными методами термического испарения в вакууме, малопригодны как оптические по причине значительных потерь (10.20 дБ/см²). Использование нелинейного материала в виде тонких пленок и в данном случае создает большие технологические и эксплуатационные трудности, связанные с нестабильностью их свойств во времени и в процессе эксплуатации, недостаточной их воспроизводимостью и т.д.

Наиболее близким по технической сущности заявляемого изобретения являются безрезонаторные оптические ключи.

Известный безрезонаторный переключающий элемент содержит подложку 1 и нелинейный слой 2 (фиг. 3, а). При этом использовался неволноводный режим засветки переключаемое излучение распространялось перпендикулярно плоскости нелинейного слоя.

Нелинейный слой известных безрезонаторных переключателей и логических элементов представлял собой однокомпонентные пленки произвольной структуры на основе целого ряда высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов, в частности аморфные слои, монокристаллические слои ZnSe, CdS, GaAs, InSb, микрокристаллические пленки CdS и поликристаллические пленки CdSSe (H.J.Eichler, A.Haase, K.Janiak et al. Opt. Commun. 1992, vol. 88, N1, р. 298-304).

Принцип действия известных переключающих элементов заключается в следующем. Прохождение излучения через нелинейный слой элемента вызывает существенный рост поглощения в нем и соответственно приводит к уменьшению пропускания в I-слое, а с некоторых (пороговых) значений интенсивности к полному его затемнению (закрытое состояние) (фиг. 3, б). Таким образом, возникает ключевая зависимость прошедшего излучения с ростом мощности падающего. Низкое быстродействие известных переключающих элементов объясняется тепловым механизмом нелинейности.

Известные тонкопленочные оптические переключающие элементы - интерферометры Фабри-Перо, использующие дисперсионную нелинейность и беззеркальные слои, работающие на насыщении поглощения, обладают микросекундным быстродействием, объясняемым термооптическим механизмом нелинейности (H.M.Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light. N.Y. 1985). Проблемой остается синтез тонкопленочных переключающих элементов, инерционность которых определялась бы пикосекундными электронными механизмами нелинейности, а не медленными тепловыми. Величины нелинейности при этом должны обеспечивать модуляцию интенсивности обрабатываемого сигнала, достаточную для реализации переключающего устройства. Последнее условие задает геометрическую толщину l, необходимую для проявления нелинейности среды, ограничивая выбор конструкций тонкопленочного устройства.

В основу настоящего изобретения положена задача улучшения эксплуатационных характеристик оптического переключателя: сокращения времени переключения, расширения диапазона рабочих длин волн, уменьшения разогрева в процессе высокой тактовой частоты переключений, повышения стабильности работы.

Поставленная задача решается тем, что, в переключающем элементе, содержащем подложку со сформированным на ней нелинейным слоем, согласно изобретению нелинейный слой формируют методом физического наращивания тонкого слоя материала с низким показателем преломления n_н и вкрапленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления n_в и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2•а_o <d <3a_o, нм,
где а₀ боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала.

Наилучшие эксплуатационные параметры переключающего элемента можно получить, если в качестве подложки использовать диэлектрик или высокопреломляющий материал (в том числе металл) с диэлектрическим покрытием на основе твердых, герметизирующих материалов с высокими коэффициентами теплопроводности: AlN, BN, SiC, Al₂O₃, SiO₂, CaF₂, BaF₂, полимеры.

Для повышения механической прочности переключающего устройства, стабильности его работы при высокой тактовой частоте переключений в качестве низкопреломляющего материала нелинейного слоя также используют материалы из ряда AlN, BN, SiC, Al₂O₃, SiO₂, CaF₂, BaF₂, полимеры.

С этой же целью целесообразно в качестве низкопреломляющего материала нелинейного слоя, материала диэлектрической подложки или диэлектрического покрытия подложки из высокопреломляющего материала (в том числе металла) использовать одно и то же соединение. При идентичности материала подложки и низкопреломляющего материала нелинейного слоя достигается снижение величины механических напряжений и повышение коэффициентов адгезии на границе нелинейный слой подложка.

Использование в качестве нелинейного двухкомпонентного слоя, состоящего из низкопреломляющего (матричного) материала, не изменяющего оптических свойств переключателя, и вкрапленных в него микрокристаллов высокопреломляющего (рабочего) материала размером d, определяемым из соотношения:
0,2•a_o <d <3a_o, нм,
делает предлагаемый переключатель устройством с фемтосекундным временем включения и регулируемым временем выключения. Устойчивость предлагаемого переключателя к высоким пиковым интенсивностям лазерного излучения, воздействию температуры и влаги обеспечивается за счет исключения процессов перекристаллизации и химической деградации микрокристаллов (при использовании в качестве матричного материала соединений, характеризуемых высокой твердостью, негигроскопичностью, возможностью достижения в пленочном покрытии плотности упаковки не менее 0,9 1), а также стехиометричностью состава, химической нейтральностью, заданными коэффициентами теплопроводности, величинами и знаком коэффициентов механических напряжений и линейного расширения высокопреломляющей и низкопреломляющей компонент нелинейного слоя. В качестве герметизирующих низкопреломляющих материалов используют, в частности, SiO₂, Al₂O₃, CaF₂, BaF₂, AlN, BN и полимеры.

Размер микрокристаллов нелинейного I-слоя должен находится в пределах
0,2 • A₀ < d ≅3a₀, нм
по следующим соображениям:
для микрокристаллов размера d > 3a₀ существенную роль в формировании нелинейных свойств играют размерные эффекты, приводящие, в частности, к длинноволновому сдвигу края поглощения и реализации нелинейного переключения в состояние затемнения с пикосекундными временами релаксации (О.В. Гончарова, Г.В. Синицын, Весцi АН БССР, 1990. N 6, с. 21-28);
для микрокристаллов меньшего размера, а именно, d ≅3a₀ характерны как квантово-размерные эффекты, проявляющиеся в коротковолновом сдвиге края поглощения и в реализации переключения в состояние просветления с пикосекундными временами релаксации, так и размерные эффекты, наступающие при более высоких уровнях возбуждения I и проявляющиеся в реализации нелинейного переключения в состояние затемнения с пикосекундными временами релаксации. Динамические эффекты просветления и/или сдвига края поглощения (при наличии возможности их выключения эффектом затемнения) в сочетании с низкими потерями на поглощение и пикосекундными временами релаксации создают основу для пикосекундного быстродействия предлагаемых оптических переключающих элементов, работающих при комнатной температуре.

При d <0,2•а₀ размеры частиц высокопреломляющего материала нелинейного слоя настолько малы (меньше единиц нанометров, т.е. порядка нескольких элементарных ячеек исходного материала), что его микроструктура трудно контролируема и не воспроизводима.

Наличие в предлагаемом переключающем элементе нелинейного слоя, выполненного из тонкого слоя материала с низким показателем преломления n_н и вкрапленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления n_в и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2 • a₀ <d <3a₀, нм,
где a₀ боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала,
позволяет изготовить оптический ключ пикосекундного быстродействия. При этом упрощается решение проблем, связанных с диссипацией тепла в переключающем элементе: при использовании быстрых электронных нелинейностей микрокристаллов высокопреломляющего материала в качестве низкопреломляющего материала нелинейного слоя могут служить соединения с наиболее высокими коэффициентами теплопроводности (ранее эти проблемы решались за счет использования в конструкции ТПИ-переключателей дополнительных термоизолирующих и поглощающих (металлических) слоев, а также благодаря выбору материала подложки переключателей). Температуропроводность подложки следует выбирать максимальной для снятия тепловой нагрузки на переключающем элементе и удержания его рабочей температуры в допустимых рамках. Для известных переключающих элементов, формируемых обычными способами вакуумного напыления и эпитаксии, этот выбор, как правило, ограничен требованиями соответствия коэффициентов линейного расширения, параметров кристаллической решетки и коэффициентов адгезии испаряемых материалов и подложки для получения механически стабильных пленочных покрытий высокого оптического качества.

В предлагаемом варианте выбор материала и размера микрокристаллов нелинейного слоя определяет рабочий диапазон длин волн и эксплуатационные параметры ключа, а выбор низкопреломляющего материала матрицы "гарантирует" консервацию микрокристаллов по отношению к внешним воздействиям и исключение возможности перекристаллизации и возникновения механических напряжений, обеспечивая тем самым высокую лучевую стойкость переключателя.

Формирование нелинейного слоя переключателя из микрокристаллов высокопреломляющего материала размером d, определяемым из соотношения
0,2 • a₀ < d < 3a₀, нм,
где a₀ боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала,
и низкопреломляющей матрицы, производилось двумя способами:
последовательным набором толщины нелинейного слоя дискретными чередующимися микрослоями низкопреломляющего материала произвольной структуры и высокопреломляющего материала кристаллической структуры с размером микрокристаллов d, определяемым из соотношения:
0,2 • a₀ < d < 3a₀, нм
( положительное решение по заявке на изобретение N 93057150 от 23.12.93 г.);
испарением многокомпонентных мишеней заданного фазового состава высокопреломляющего и низкопреломляющего материалов.

Первый способ физического выращивания нелинейного слоя переключателя из высокопреломляющих микрокристаллов с размером d и низкопреломляющей матрицы технологически сложен и обеспечивает реализацию квазинульмерных гетеросистем типа микрокристаллический высокопреломляющий слой/низкопреломляющий слой, которые по своим структурным свойствам лишь относительно напоминают композицию "микрокристаллы в объеме матрицы". В качестве источника материалов при этом используются специально нелегированные пластины высокопреломляющего и низкопреломляющего материала.

Второй способ технологически проще, но предполагает наличие специально приготовленных многокомпонентных мишеней с фазовым составом, скорректированным в соответствии с условиями осаждения и требуемыми параметрами нелинейного слоя.

Режимы физического наращивания нелинейного слоя переключателя выбирались эмпирически (путем параллельного анализа характера и величины сдвига спектров пропускания экспериментальных образцов по отношению к спектрам пленочных эталонов, обладающих свойствами монокристаллов, и соответствующего размера d, непосредственно оцениваемого методами электронной микроскопии и дифрактометрии "на просвет").

Первоначально физическое наращивание I-слоя предлагаемого переключателя производят в режимах формирования стехиометрического состава пленочных покрытий высокопреломляющего материалов. В дальнейшем выбирают такие технологические параметры, при которых достигается заданный размер микрокристаллов нелинейного слоя d и заданная микроструктура матричной (низкопреломляющей) компоненты. При непрерывном способе осаждения размер микрокристаллов задается только технологическими параметрами (например, температурой и скоростью испарения, температурой подложки), а при дискретном - искусственно ограничивается толщиной однократно напыляемого микрослоя ( авт. св. СССР N 1658655).

Исходные материалы нелинейного слоя выбираются так, чтобы матричный материал практически не влиял на спектральные и нелинейные свойства переключателя, т.е. был более широкозонен, чем высокопреломляющий материал микрокристаллов нелинейного слоя.

В качестве мишеней применялись специально нелегированные монокристаллы исходных материалов и специально приготовленные многокомпонентные мишени (ММ) заданного фазового состава.

На фиг. 4 изображен схематически общий вид оптического переключающего устройства, соответствующего данному изобретению.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Предлагаемый переключающий элемент содержит подложку 1 и нелинейный слой 2.

Заявляемый переключатель содержит подложку 1 из низкопреломляющего материала или из высокопреломляющего материала (в том числе металла) с диэлектрическим покрытием на основе твердых, герметизирующих материалов с высокими коэффициентами теплопроводности: AlN, BN, SiC, Al₂O₃, SiO₂, CaF₂, BaF₂, полимеры. На диэлектрическую подложку (или слой) далее методами физического наращивания наносится нелинейный слой 2, задающий спектральные и нелинейные характеристики переключающего устройства. Структура нелинейного слоя состоит из микрокристаллов высокопреломляющего материала размером d, определяемым из соотношения:
0,2•a₀ < d < 3a₀, нм,
вкрапленных в слой низкопреломляющего (матричного) материала. Высокопреломляющим материалом нелинейного слоя могут служить различные соединения в зависимости от целей практического использования переключателя. В случае тонкопленочных переключателей это полупроводниковые и диэлектрические соединения. В случае логических устройств нелинейные высокопреломляющие материалы (от металлов, диэлектриков и полупроводников до органических красителей и полимеров). В качестве низкопреломляющей матрицы должен использоваться герметизирующий материал, в частности соединения из ряда: SiO₂, Al₂O₃, CaF₂, AlN, BN, а также полимеры. Поверх нелинейного слоя может быть нанесено дополнительное герметизирующее покрытие.

Предлагаемый беззеркальный тонкопленочный элемент с ростом интенсивности I падающего излучения первоначально переключается в состояние максимального пропускания (включения) (фиг. 5, 6), а затем (когда число фотоиндуцированных носителей в изолированном объеме микрокристаллов высокопреломляющего материала превысит критическое) в состояние затемнения (выключение). Характерное время срабатывания предлагаемого переключателя, определяемое временем релаксации носителей, при использованных значениях размера микрокристаллов (d приблизительно равно 6.3 нм) составляет τ ≈ 100...5 пс.
Физический механизм ключевой характеристики предлагаемого переключающего устройства интерпретируется следующим образом. При фотогенерации носителей в микрокристалле высокопреломляющегося материала размером d, определяемым из соотношения:
0,2•а₀<d<3a₀, нм,
и последующем запоминании уровней размерного квантования вероятность поглощения света в прикраевой области спектра уменьшается, с чем связаны наблюдаемые при низких уровнях возбуждения эффекты просветления и динамического сдвига края поглощения (фиг. 4,б, кривая 2). Однако по мере роста интенсивности возбуждающего света до 0,1 ГВт/см² и выше увеличивается общее число носителей, замкнутых в объеме отдельного микрокристалла. Как только количество генерируемых носителей становится существенно большим по сравнению с числом вакансий на уровнях подзонного квантования начинает проявляться затемнение, которое может быть обусловлено как наведенным поглощением на свободных носителях, так и на носителях, связанных на поверхностных ловушках, что приводит к подавлению эффекта просветления и динамического коротковолнового сдвига (фиг,4,б, кривая 3).

Экспериментальная проверка возможности реализации предлагаемых безрезонаторных оптических ключей была выполнена на примере устройств, сформированных согласно изобретению на подложках из низкопреломляющего материала, соответствующего материалу низкопреломляющей компоненты нелинейного слоя. В качестве переключаемого сигнала использовалось возбуждение (Δt=3 пс) лазера на стекле с неодимом.

На фиг. 6-9 приведены соответственно микроструктурные, нелинейные и временные характеристики переключателей, в которых нелинейный слой согласно изобретению формируют методом физического наращивания микрослоев CdSe/CaF₂ (на неориентирующей подложке CaF₂) (фиг. 6, 8) и CdSe+SiO₂ (на SiO₂-подложке) (фиг. 7,9) с размером микрокристаллов высокопреломляющего CdSe-материала d, определяемым из соотношения
0,2•а₀<d<3a₀, нм,
где а₀ боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала.

Видно, что физическое наращивание нелинейного слоя в виде слоя материала с низким показателем преломления n_н и вкрапленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления n_в и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2•а₀<d<3a₀, нм,
где
а₀ боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала,
повышает прозрачность переключателя на заданной длине волны (статический коротковолновый сдвиг) и существенно расширяет область его оптической нелинейности (динамический сдвиг и просветление) с пикосекундными временами релаксации.

Действительно, фиг. 6,а и кривая 2 на фиг.6, б соответствуют нелинейному слою CdSe/CaF₂. Коротковолновый сдвиг спектра пропускания нелинейного слоя согласуется с его микроструктурой, представляющей собой микрокристаллы CdSe с d примерно равным 5,4 нм (для CdSe a_o примерно составляет 5,3 нм), разделенные микрокристаллическими микрослоями CaF₂.

Видно (фиг. 6, в, г), что нелинейный слой предлагаемого переключателя обладает пикосекундной нелинейностью, приводящей к наведенному просветлению спектра поглощения.

Аналогично фиг. 7,а и кривая 2 на фиг. 7,б соответствуют микроструктуре и спектральным характеристикам нелинейного слоя CdSe+SiO₂ (отметим, что и для этого устройства наряду с коротковолновым сдвигом зарегистрирована также дискретная структура спектра поглощения, коррелирующие с размером микрокристаллов d примерно равным 5-6 нм). Видно (фиг. 7, в, г), что и в данном случае могут быть получены динамический сдвиг и просветление спектра пропускания с пикосекундными временами релаксации.

Кривые 1 на фиг. 6, б, 7,б соответствуют поликристаллическим пленкам CdSe, сформированным обычными способами физического наращивания пленочных покрытий.

Приведенные на фиг. 6,7 результаты указывают на возможность расширения рабочего диапазона длин волн и пикосекундного пропускания (открытое состояние). Контраст ключа может быть достаточно высоким, поскольку (за счет выбора величины отстройки) скачкообразный переход элемента в состояние просветления (Т=Т_max) может происходить из состояния полного затемнения (Т=0).

Долговременная компонента просветления на фиг. 6,г и 7,г соответствует наносекундной рекомбинации носителей. В случае практических применений эта компонента может затягивать время восстановления прозрачности оптического ключа после переключения. Однако затемнение, обусловленное наведенным поглощением в зоне локализации, позволяет обойти эту проблему. Выбрав соответствующую лазерную длину волны λ_возб можно компенсировать долговременную компоненту просветления таким же по величине наведенным поглощением (см. фиг. 8,9).

Отсюда следует возможность варьирования времени выключения предлагаемого переключающего устройства за счет увеличения интенсивности падающего излучения.

На фиг. 8 продемонстрирована зависимость кинетики релаксации предлагаемого оптического переключателя CdSe/CaF₂ для различных уровней интенсивности накачки I_o λ_возб=528 нм).

Как видим, увеличение интенсивности накачки, сопровождаемое ростом числа генерируемых носителей, фактически не изменяет величины просветления, но приводит к появлению эффекта затемнения в длинноволновой области края поглощения. Такой знакопеременный характер нелинейности может быть интерпретирован следующим образом. Основной чертой тонкопленочных двухкомпонентных сред, сформированных согласно изобретению, является высокая концентрация микрокристаллов высокопреломляющего материала и как результат - общая большая площадь приповерхностного слоя. Поэтому динамика фотовозбужденных носителей в таких системах, по-видимому, отлична от предложенной теорией квантово-размерных эффектов. Энергия электронного состояния в приповерхностном слое микрокристаллов ниже энергии электронного состояния в объеме микрокристалла. В связи с этим лишь дырки ограничиваются в объеме, а электроны быстро захватываются в приповерхностном слое.

Процесс захвата электронов на поверхностные состояния меняет сценарий нелинейно-оптических процессов в средах с высокой концентрацией внутренних поверхностей. До локализации в приповерхностном слое ситуация для электронов в микрокристалле аналогична ситуации для них в квантовом ящике с высокими стенками сверхбыстрое просветление достигается в результате заполнения дискретных уровней размерно-квантованной электронно-дырочной системы. После локализации электронов дырки ограничены в объеме микрокристалла и вносят вклад в просветление через заполнение уровней валентной зоны. В результате этого пропускание частично восстанавливается и сохраняется после процесса локализации электронов.

Таким образом, характер изменения пропускания в предлагаемых оптических переключателях с ростом мощности падающего излучения может быть объяснен конкуренцией двух механизмов нелинейности. Первым из них является заполнение уровней размерного квантования, сопровождаемое эффектами просветления и коротковолнового сдвига спектра пропускания, а вторым генерация плотной электронно-дырочной плазмы, сопровождаемая наведенным поглощением. Механизмы нелинейности характеризуются субпикосекундными временами наведения и пикосекундными временами релаксации. При этом, как видно из фиг. 8, беззеркальные гетерослои ( l примерно составляет 0,3-0,6 нм) могут применяться как оптические ключи с высокой модуляцией амплитуды светового сигнала и собственным механизмом выключения нелинейности.

Принципиальная возможность пикосекундного выключения безрезонаторного оптического ключа CdSe+SiO₂ показана на фиг. 9.

Таким образом, переключающее устройство, состоящее из подложки и сформированного на ней двухкомпонентного нелинейного слоя, заявляемое в данном изобретении, является и быстродействующим, и относительно низкоэнергетичным. При толщине l примерно равной 1 мкм и диаметре рабочей области примерно 10 мкм время включения ≅ 300 фс, время выключения от 25 до 5 пс, энергия на одно переключение E примерно 100 пДж, работа при комнатной температуре в широком диапазоне длин волн.

Исследование стойкости предлагаемых переключателей к лазерному воздействию, проведенное с использованием CdSe+SiO₂ элемента и 3-х пикосекундного импульсного возбуждения с частотой следования 0,5 Гц при возбуждении в области сильного поглощения CdSe ( λ_возб 528 нм, λ_q 680 нм) не выявило необратимых изменений спектра пропускания переключателя вплоть до пиковых мощностей возбуждения 0,6-0,8 ГВт/см². Оптические характеристики предлагаемых переключателей (при сохранении их без защиты от влаги) остались неизменными после пребывания вне эксикатора в течение более трех лет.

Предлагаемое устройство предназначено для логической обработки оптических сигналов в УФ-, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Область применения экспериментальная оптика, в том числе аналоговая и цифровая оптическая логика. Высокая однородность оптических параметров по поверхности подложки позволяет получать ключевые устройства как в виде дискретных элементов, так и в виде многоэлементных линеек и матриц. Устройство может различаться по функциональному назначению и быстродействию.

Предлагаемое устройство работает как нелинейный переключающий элемент с пикосекундными временами переключения и собственным механизмом выключения (см. фиг. 5).

Предлагаемое устройство обладает рядом свойств, уникальных с точки зрения создания на его основе интегральных схем разного функционального назначения:
относительной простотой и доступностью технологии изготовления;
выбором материалов от металлов, полупроводников и диэлектриков до органических красителей и полимерных соединений;
интегральностью и интегрируемостью исполнения;
широким диапазоном рабочих длин волн;
работой при комнатных температурах;
использованием пикосекундных механизмов наведения и выключения нелинейности;
низкими порогами оптического переключения;
возможностью исключения теплового вклада подложки в работу таких устройств;
высокой лучевой стойкостью и стабильностью структуры.

Ниже приведены характеристики предлагаемых пикосекундных переключателей
Рабочий спектральный диапазон УФ-, видимая, ИК-области спектра
Рабочие температуры Комнатные
Диаметр светового пятна Примерно 5 мкм
Энергия переключения ≅100 пДж/мкм²
Время переключения (вкл/выкл) Примерно 0,3/10 пс
Контраст 2.3
Размер двумерных матриц элементов 3х3 см²
Возможность использования твердых соединений с высокими коэффициентами теплопроводности в качестве материала подложки и матрицы создает дополнительные преимущества для повышения механической прочности, влагопрочности переключающего устройства, устойчивости его к термоударам и многократному лазерному воздействию, а также для уменьшения тепловой составляющей при высокой тактовой частоте работы устройства.

Оптический переключающий элемент, согласно изобретению содержит подложку 1 и нелинейный элемент 2, расположенный на поверхности подложки. Нелинейный слой 2 представляет собой тонкую пленку материала с низким показателем преломления n_H и вкрапленных в нее микрокристаллов, сформированных из материала c высоким показателем преломления n_B и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2•a₀ < d < 3a₀, нм,
где a₀ - боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала. Подложкой 1 служит пластина из материала с низким коэффициентом преломления либо пластина из высокопреломляющего материала (в том числе - металла) с покрытием на основе материала с низким показателем преломления. Нелинейный слой 2 наносят на подложку 1 любым из известных методов физического выращивания пленок, в частности методом вакуумного напыления. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Оптический переключающий элемент, содержащий подложку, на которой размещен слой, отличающийся тем, что слой выполнен из материала с показателем преломления n_н, в котором расположены микрокристаллы, сформированные из материала с показателем преломления n_в, где n_в > n_н, и имеющие размер d, определяемый из соотношения
0,2 a_Б < d < λ_c нм,
где a_Б и λ_c соответственно боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона в материале с показателем преломления n_в. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала подложки использованы диэлектрик или материал с показателем преломления n_в, в том числе металл с диэлектрическим покрытием из ряда SiO₂, Al₂O₃, CaF₂, BaF₂, AlN, BN, а также полимеры. 3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала с показателем преломления n_н слоя использованы соединения из ряда SiO₂, Al₂O₃, CaF₂, BaF₂, AlN, BN, а также полимеры. 4. Элемент по пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве материала с показателем преломления n_в слоя использованы полупроводниковые соединения, металлы и диэлектрики.