СПОСОБ ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ МИ-РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПРЯМОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Российский патент 2018 года по МПК G02F1/01 B82Y99/00 

Область техники

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к области полностью оптических модуляторов и переключателей лазерного излучения в заданном спектральном диапазоне с использованием наноразмерной оптики. Изобретение может быть использовано в системах оптической обработки информации, в системах с оптической связью, в оптоэлектронике, фотонике и других областях, где требуется полностью оптическое переключение, модуляция лазерного излучения.

Уровень техники

Оптическая связь, телекоммуникационные технологии продолжают активно развиваться, и поэтому появляется необходимость внедрения новых технологий для удовлетворения растущих потребностей. На данный момент существует большое количество оптический переключателей, модуляторов, основанных на различных принципах. Известны методы и устройства в виде оптических модуляторов (US 4872744; US 5963358), в которых используются структуры с квантовыми ямами для возможности управления светом. В патенте US 4872744 используется эффект изменения концентрации свободных носителей в квантовой яме для получения изменения коэффициента поглощения модулятора и, таким образом, возможности амплитудной модуляции падающего излучения определенной длины волны. Длина волны падающего излучения находится в диапазоне длин волн экситонной полосы поглощения. При длине волны больше длины волны экситонного поглощения происходит изменение показателя преломления с изменением концентрации свободных носителей, что позволяет использовать устройство в качестве фазового модулятора падающего излучения. Концентрация свободных носителей регулируется с помощью приложенного внешнего напряжения. Также упоминаются принципы управления и переключения прошедшего луча с помощью управляющего луча, при этом отсутствует описание способа осуществления такого управления, а при модуляции падающего излучения посредством приложения электрического поля ограничивается максимальная рабочая частота модулятора значениями порядка 1 ГГц. В патенте US 5963358 используется гетероструктура с квантовыми ямами и предложено несколько способов модуляции падающего излучения. С приложением внешнего электрического поля или воздействием управляющего лазерного луча происходит модуляция коэффициента пропускания структуры. При модуляции падающего излучения посредством приложения электрического поля ограничивается максимальная рабочая частота прибора значениями порядка 1 ГГц, а используемая гетероструктура имеет размеры больше нескольких мкм.

Из уровня техники известен также способ переключения с помощью фотонно-кристаллической структуры US 6937781. Переключение происходит в полупроводниковом фотонно-кристаллическом массиве, а управление пропусканием переключателя происходит при приложении внешнего электрического напряжения к структуре для вброса носителей. Предлагаемое изменение пропусканием переключателя посредством приложения электрического поля ограничивает максимальную рабочую частоту прибора значениями порядка 1 ГГц.

Хотя различные системы, такие как телекоммуникационные, сочетают в себе и электронные и оптические способы передачи и обработки информации, есть тенденция в развитии полностью оптических методов, необходимых для увеличения пропускной способности, работы на высоких скоростях, параллельной передачи данных и перехода на микромасштабы. Полностью оптические методы позволяют получить результаты, не достижимые при использовании электронных способов. Тем не менее, практическое применение таких методов ограничивается в основном слабыми нелинейными эффектами используемых материалов. Увеличение нелинейно-оптического отклика можно достичь, например, с помощью использования металлов в качестве активной среды. Подобные результаты с плазмонными материалами были получены в работе (G.A. Wurtz et al., Nat. Nanotechnol. 6, 106, 2011). Известен также метод (US 6977767) с использованием плазмонной нанофотоники для гигантского прохождения через оптически тонкую металлическую пленку, различного управления светом и воздействия на него. Но из-за использования металлических материалов такие устройства демонстрируют низкую эффективность и обладают большими потерями.

Полностью оптический переключатель - это устройство, которое позволяет посредством одного оптического сигнала изменять другой оптический сигнал, то есть осуществлять управление светом с помощью света. Известны исследования по фотонным кристаллам, метаматериалам, которые могут быть использованы для полностью оптического переключения (М.R. Shcherbakov et al., Nano Lett. 15, 6985, 2015; K.M. Dani, Z. Ku, P.C. Upadhya, R.P. Prasankumar, S.R.J. Brueck and A.J. Taylor, Nano Lett. 9, 3565 (2009); X. Fang et al., Appl. Phys. Lett. 104, 141102 (2014); Y. Yang et al, Nano Lett. 15, 7388 (2015)). Но такие устройства демонстрируют низкую эффективность и обладают большими потерями, особенно в случае применения металлических материалов.

Известен способ и устройство для полностью оптического переключения US 5710845 с использованием: поляризационных светоделителей для внесения разности времени прохождения А вертикальной и горизонтальной поляризации сигнального света, полупроводникового волновода для фазовой модуляции сигнального света, поляризационного светоделителя и зеркал для внесения разности времени прохождения В, которое противоположно А, для вертикальной и горизонтальной поляризации сигнального света, и полупрозрачного зеркала для возможности интерференции вертикальной и горизонтальной поляризации друг с другом. Переключение таким способом происходит за счет прохождения большого количества оптических элементов для создания необходимой конфигурации и нелинейного изменения показателя преломления в полупроводниковом волноводе управляющим светом. Переключатель собран при помощи оптических элементов, каждый из которых имеет макроскопические размеры (~1 см).

Известно устройство и способ управления фотонным переключателем US 7400798, реализованное с помощью планарного кольцевого кремниевого резонатора, работающего при низких энергиях импульса накачки. Изменения коэффициента преломления приводит к модуляции пропускания падающего излучения. Недостатками такого способа является то, что, во-первых, переключение происходит в кольцевом волноводе диаметром более 10 мкм и, во-вторых, время переключения определяется добротностью резонатора и составляет сотни пикосекунд.

В качестве прототипа был выбран полностью оптический модулятор лазерного излучения на основе многослойных гетероструктур RU 2477503, переключение происходит в периодической многослойной гетероструктуре, которая изготовлена таким образом, что изменение показателя преломления под воздействием возбуждающего лазерного излучения в активном нелинейном полупроводниковом компоненте гетероструктуры за счет генерации плотной электронно-дырочной плазмы вызывает изменение интенсивности модулируемого падающего излучения. В подложке выполнено оптическое окно. Активный нелинейный компонент многослойной гетероструктуры выбран из группы полупроводниковых соединений A^IIB^VI или A^IIIB^V. Механизм работы модулятора основан на управлении светом за счет изменения отражательных характеристик брэгговского отражателя путем генерации в одной из его подрешеток плотной электронно-дырочной (э-д) плазмы. Возбуждение гетероструктуры лазерным излучением приводит к генерации в активном слое высокой концентрации носителей, а поскольку э-д плазма обладает диэлектрической проницаемостью, то она дает вклад в показатель преломления среды, в которой она генерируется, тем самым смещая спектр отражения/пропускания брэгговского отражателя.

Однако в данном способе используется структура большой толщины, в некоторых вариантах включающей также удвоенную толщину центрального слоя по отношению к другим слоям активного компонента гетероструктуры.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является быстрое (пикосекундное) управление интенсивностью электромагнитного излучения для использования фотонных наноразмерных устройств в информационных технологиях.

Техническим результатом является повышение эффективности взаимодействия излучения с фотонным модулятором, позволяющее получить высокую и быструю модуляцию при использовании маломощного излучения накачки и компактных, сравнимых с длиной волны используемого излучения, размеров структуры. Для решения задачи полностью оптического управления светом с помощью компактных материалов (активная часть модулирующего элемента меньше, чем длина волны используемого излучения) при высокой эффективности модуляции, значительной энергоэффективности и коротких временах модуляции, предлагается использовать полностью оптическое модулирование, то есть управление лазерным излучением при помощи второго лазерного импульса посредством Ми-резонансных структур с размерами меньше, чем длина волны используемого излучения. Полностью оптическое модулирование электромагнитного излучения производится в схеме накачка-зонд. Под воздействием излучения накачки происходит генерация свободных носителей в прямозонном полупроводнике с последующей рекомбинацией, что вызывает изменение показателя преломления и приводит к изменению отражения или пропускания структуры, в результате чего происходит усиление или подавление, т.е. модуляция зондирующего излучения.

Поставленная задача решается тем, что устройство для оптической модуляции интенсивности электромагнитного излучения представляет собой Ми-резонансную структуру в виде прозрачной диэлектрической подложки с нанесенной на ее поверхность двумерной периодической решеткой, образованной частицами из прямозонного полупроводника с субволновыми размерами и периодом расположения частиц от 100 нм до 10 мкм. В качестве частиц используют частицы с размерами от 100 до 700 нм, выполненные из Al_xGa_1-xAs, где 0≤х≤0.4, или InAs, или InP, или других прямозонных полупроводников и имеющие сферическую, цилиндрическую или близкую к ним форму.

Поставленная задача решается также тем, что способ оптической модуляции интенсивности электромагнитного излучения заключается в облучении линейно-поляризованным излучением в режиме «накачка-зонд» Ми-резонансной структуры с получением модулированного излучения, при этом используют излучение накачки с энергией фотонов больше энергии запрещенной зоны материала частиц и мощностью, превышающей мощность зондирующего излучения не менее чем в 30 раз. Зондирующее излучение падает на Ми-резонансную структуру под углом θ не менее 1 градуса. При облучении накачкой, с плотностью энергии не более 400 мкДж/см², Ми-резонансной структуры интенсивность зондирующего излучения модулируют за времена менее 10 пикосекунд. Для хорошей эффективности способа модуляции и высокой энергоэффективности (эффективная модуляция при небольшой плотности энергии излучения накачки) полупроводник и диэлектрическая подложка должны обладать большим контрастом показателей преломления.

Преимущество Ми-резонансных структур на основе прямозонных полупроводников заключается в возможности создания быстрых и эффективных устройств с размерами, не превышающими длину волны излучения. Поэтому использование Ми-резонансных материалов, изготовленных из прямозонных полупроводников, в качестве устройств, в которых возможно усиление нелинейных свойств за счет возбуждения электрических и магнитодипольных резонансов, и которые, кроме того, при своих компактных размерах являются сверхбыстрыми и высокоэффективными, дает возможность широкого применения таких материалов в различных областях физики, оптики и электроники. Данные преимущества прямозонных полупроводниковых Ми-резонансных материалов позволили разработать способ полностью оптического модулирования с помощью Ми-резонансных структур на основе прямозонных полупроводников, активная часть модулирующего элемента при этом меньше, чем длина волны используемого излучения (например, см. табл. 1).

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематичное изображение вариантов Ми-резонансных структур: (1) - двумерный массив наночастиц из прямозонного полупроводника, (а) - двумерный массив наносфер из прямозонного полупроводника, (б) - двумерный массив наноцилиндров из прямозонного полупроводника, расположенные на диэлектрической подложке (2). Фиг. 2 демонстрирует принципиальную оптическую схему полностью оптической модуляции с помощью Ми-резонансных структур на основе прямозонных полупроводников, где (3) - Ми-резонансная структура, (4) - система формирования линейно-поляризованного оптического излучения зонда (модулируемый сигнал), (5) - система формирования мощного линейно-поляризованного оптического излучения накачки, (6) и (7) - модулированное оптическое излучения. На фиг. 3 представлен график, демонстрирующий спектр отражения Ми-резонансной структуры (серая область 1) для наклонного угла падения излучения на структуру, а также наведенные изменения отражения Ми-резонансной структуры (черная кривая 2), после воздействия на структуру импульсом накачки. На фиг. 4 представлен график, демонстрирующий релаксацию наведенных изменений отражения Ми-резонансной структуры во времени, после воздействия на структуру импульсом накачки, для различных длин волн модулируемого сигнала; 0 пикосекунд соответствует одновременному времени прихода сигнального излучения и излучения накачки.

Осуществление изобретения

Задача рассеяния и поглощения электромагнитного излучения однородными сферическими частицами произвольного размера решена в рамках теории рассеяния Ми (G. Mie. Ann. Phys. 330, 377 (1908)) с помощью разложения электромагнитного поля по сферическим гармоникам. Параметром теории рассеяния Ми является отношение радиуса частицы R_ч к длине волны света λ: х=2πR_ч/λ. При совпадении частоты падающего излучения с собственными частотами частицы наблюдается резонанс (Kuznetsov A.I. et al., Sci. Rep. 2, 492, (2012)). В настоящее время круг рассеивающих объектов расширен и в него также включают эллипсоиды, цилиндры и частицы других форм. Таким образом, Ми-резонансной структурой будем назвать структуру, размеры которой сравнимы с длиной волны падающего излучения и в которой возможно возбуждение электрических и магнитодипольных резонансов. Для реализации полностью оптической модуляции света с помощью Ми-резонансных структур используется методика «накачка-зонд», в англоязычной литературе называемой pump-probe (Awschalom D.D. et al., Phys. Rev. Lett. 55, 10, 1128-1131, (1985)). Методика схематически представлена на фиг. 2 и ее суть состоит в следующем: на структуру падает достаточно мощный импульс накачки (5), поглощение которого вызывает некоторые возбуждения (или другие изменения) в структуре (3). С некоторой регулируемой временной задержкой на структуру приходит более слабый зондирующий импульс (4) и его отраженное (6) или прошедшее (7) излучение регистрируется. Отклик структуры на излучение накачки приводит к изменениям в среде, что, в свою очередь, влияет на зондирующий импульс.

Для реализации полностью оптической модуляции электромагнитного излучения с помощью Ми-резонансных структур на основе прямозонных полупроводников необходим двумерный массив частиц субволновых размеров из прямозонного полупроводника, расположенный на диэлектрической подложке, для которого возможно возбуждение электрического и магнитодипольного резонансов в диапазоне излучения зондирующего сигнала; Ми-резонансная структура освещается поляризованным излучением зонда с желаемой длиной волны при облучении более мощным поляризованным излучением накачки. Энергия излучения накачки должна быть больше энергии запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен двумерный массив. В такой Ми-резонансной структуре под воздействием излучения накачки, с энергией фотонов выше запрещенной зоны полупроводника, происходит генерация свободных носителей с последующей рекомбинацией, что вызывает изменение показателя преломления, а за счет возбуждения электрических и магнитодипольных резонансов эти изменения показателя преломления приводят к значительной модификации отражения или пропускания структуры, по сравнению с необлученной структурой, в результате чего происходит усиление или ослабление зондирующего излучения. При значительном ослаблении зондирующего сигнала вследствие облучения излучением накачки, данный способ может быть использован как поглощающий полностью оптический переключатель электромагнитного сигнала - это вариант полностью оптического переключения, при котором нелинейный оптический материал перестает пропускать или отражать падающее излучение под воздействием переключающего луча. Эффективная модуляция зондирующего сигнала, получаемая таким образом, характеризуется пикосекундным масштабом времени и высокой энергоэффективностью. Период массива Ми-резонансной структуры должен быть меньше длины волны зондирующего излучения в вакууме. Структура может быть изготовлена с помощью методов литографии или методом лазерной абляции. Данные методы изготовления структур демонстрируют хорошую периодичность решетки. Плотность энергии излучения накачки должна быть больше плотности энергии зондирующего сигнала минимум в 30 раз. Угол падения света может изменяться для изменения степени модуляции и длины волны модулируемого сигнала.

Указанные параметры Ми-резонансной структуры и оптической схемы являются необходимыми и достаточными для получения заявляемого технического результата.

Ниже представлен пример реализации полностью оптической модуляции отраженного электромагнитного излучения от Ми-резонансной структуры на основе прямозонного полупроводника GaAs. Способ основан на использовании двумерной Ми-резонансной структуры (фиг. 1), состоящей из диэлектрической подложки (2) и массива частиц из прямозонного полупроводника с субволновыми размерами по отношению к модулируемому излучению. Период данного массива составляет порядка 600 нм. Для такой структуры возможно возбуждение электрического и магнитного дипольных резонансов в полупроводниковых частицах в диапазоне излучения зондирующего сигнала. Для реализации данного способа модуляции света исходное ТМ-поляризованное излучение, длина волны которого принадлежит диапазону 850-1300 нм, направляют в геометрии на отражение на Ми-резонансную структуру, облученную более мощным (в 50 раз) ТМ-поляризованным излучением накачки с энергией фотонов выше энергии запрещенной зоны полупроводника. Излучение накачки направлено перпендикулярно плоскости Ми-резонансной структуры и лежит в плоскости падения зондирующего сигнала. Угол падения зондирующего излучения на структуру составляет 10 градуса.

При возбуждении электрического и магнитного дипольных резонансов в полупроводниковых частицах в диапазоне излучения зондирующего сигнала спектральное положение резонансов строго определяется параметрами структуры такими как: размер частиц, период массива, показатели преломления частиц и подложки. Под воздействием излучения накачки происходит генерация свободных носителей с последующей рекомбинацией, что вызывает изменение действительной части показателя преломления, которое характеризуются следующим выражением (Bennett B.R., IEEE Journal of Quantum Electronics 26.1, 113-122, (1990)):

Δn=Δn_BF+Δn_D<0,

где Δn_BF - слагаемое, отвечающее за эффект заполнения зоны, Δn_D - слагаемое, отвечающее за вклад Друде.

Δn_D~N, где N - концентрация свободных носителей, Δn_BF=Δn_BF(N, E)=n(N, E)-n₀(E), где E - энергия фотонов зондирующего излучения.

Модуляция отражения происходит вследствие смещения спектрального положения возбуждаемых электрического и магнитного дипольных резонансов, вызванного изменением показателя преломления структуры. В результате действия излучения накачки отраженное/прошедшее зондирующее излучение будет модулировано на временах порядка нескольких пикосекунд (фиг. 2, 4). Так как изменение показателя преломления пропорционально концентрации носителей, а непрямозонные полупроводники не могут обеспечить эффективную генерацию и рекомбинацию свободных носителей, то для эффективной и быстрой модуляции необходимо использовать прямозонные полупроводники.

На фиг. 3 представлен спектр отражения Ми-резонансной структуры для наклонного угла падения электромагнитного излучения на структуру (серая область - 1) и изменения коэффициента отражения при облучении излучением накачки (черная кривая - 2). Два пика в спектре отражения на длине волны 860 нм и 1015 нм относятся к электро-дипольному резонансу (ED) и магнитодипольному резонансу (MD) соответственно. При падении зондирующего сигнала происходит возбуждение дипольных резонансов в структуре, что приводит к увеличению нелинейного отклика. При облучении структуры более мощным по сравнению с зондирующим излучением накачки происходит смещение резонансов и из графика (4) видно, что вблизи дипольных резонансов происходит эффективная модуляция зондирующего сигнала. Таким образом, облучение Ми-резонансной структуры излучением накачки с энергией фотонов выше запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлены частицы, позволяет эффективно изменить интенсивность отраженного излучения на величину, составляющую десятки процентов (фиг. 3). Наведенные изменения отражения Ми-резонансной структуры описываются следующим выражением

ΔR=R_{накачка}-R,

где R - отражение без облучения структуры излучением накачки, R_{накачки} - отражение в присутствии излучения накачки. При этом модуляция зондирующего излучения происходит на пикосекундных временах (фиг. 4); время задержки 0 пикосекунд по оси абсцисс соответствует одновременному времени прихода сигнального излучения и излучения накачки.

В зависимости от диэлектрической подложки предложенный способ модуляции интенсивности излучения может работать как на пропускание, так и на отражение.

Настоящее изобретение представлено в виде определенного примера, который, однако, не является единственно возможным и ни в коей мере не подразумевается, что он тем или иным образом ограничивают объем настоящего изобретения, данный пример наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

В результате того, что с помощью периодического структурирования на микромасштабах удается получить увеличенный нелинейный отклик, а с помощью прямозонных полупроводников можно получить быстрое и эффективное изменение показателя преломления, поэтому возможна модуляция интенсивности оптического излучения на быстрых пикосекундных временах с большой эффективностью при активной части модулирующего элемента меньше, чем длина волны используемого излучения. Данные преимущества открывают ряд возможностей для применения заявляемого изобретения в качестве универсальных компактных элементов для управления, модуляции, переключения лазерного излучения.

Таким образом, предлагается способ быстрой и эффективной модуляции интенсивности прошедшего или отраженного электромагнитного излучения с помощью структуры с размерами меньше, чем длина волны используемого излучения, который заключается в том, что Ми-резонансная структура в виде периодически наноструктурированного массива прямозонного полупроводника освещается оптическим зондирующим излучением (модулируемым) при одновременном облучении мощным излучением накачки, с энергией выше энергии запрещенной зоны полупроводника. Дизайн структуры определяется рабочей длиной волны оптического излучения (табл. 1). Модулирование прошедшего или отраженного света осуществляется за счет изменения показателя преломления при генерации свободных носителей из-за облучения достаточно мощным излучением накачки и их последующей рекомбинацией.

Таким образом, заявляемый способ позволяет быстро, менее чем за 10 пс, с большой эффективностью, достигающей 90%, и высокой энергоэффективностью - плотность энергии накачки составляет не более 400 мкДж/см², модулировать интенсивность отраженного или прошедшего электромагнитного излучения при помощи Ми-резонансной структуры, активная часть которой имеет размеры меньше, чем длина волны используемого излучения.

Использование: для создания оптических модуляторов и переключателей лазерного излучения в заданном спектральном диапазоне с использованием наноразмерной оптики. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для оптической модуляции интенсивности электромагнитного излучения представляет собой Ми-резонансную структуру в виде прозрачной диэлектрической подложки с нанесенной на ее поверхность двумерной периодической решеткой, образованной частицами из прямозонного полупроводника с субволновыми размерами с периодом расположения частиц от 100 нм до 10 мкм. Технический результат обеспечение возможности повышения эффективности взаимодействия излучения с фотонным модулятором. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Устройство для оптической модуляции интенсивности электромагнитного излучения, представляющее собой Ми-резонансную структуру в виде прозрачной диэлектрической подложки с нанесенной на ее поверхность двумерной периодической решеткой, образованной частицами из прямозонного полупроводника с субволновыми размерами с периодом расположения частиц от 100 до 10 мкм.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что частицы использованы с размерами от 100 нм до 700 нм.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что частицы выполнены из Al_xGa_1-xAs, где 0≤х≤0.4, или InAs, или InP.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что частицы имеют сферическую или цилиндрическую форму.

5. Способ оптической модуляции интенсивности электромагнитного излучения, включающий облучение линейно поляризованным излучением в режиме «накачка-зонд» устройства по п. 1 с получением модулированного излучения, при этом используют излучение накачки с энергией фотонов больше энергии запрещенной зоны материала частиц и мощностью, превышающей мощность зондирующего излучения не менее чем в 30 раз.

6. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что излучение накачки направляют перпендикулярно плоскости Ми-резонансной структуры, при этом излучение накачки лежит в плоскости падения зондирующего сигнала.

7. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что зондирующее излучение направляют на Ми-резонансную структуру под углом падения θ не менее 1 градуса.

8. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что при облучении накачкой Ми-резонансной структуры интенсивность зондирующего излучения модулируют со временем не более 10 пс.

9. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что плотность энергии излучения накачки для модуляции составляет 20-400 мкДж/см².