Оптически прозрачное устройство для модуляции ИК-сигнала Российский патент 2023 года по МПК G02F1/25 

Область техники

Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано в электрически управляемых устройствах для модуляции проходящего электромагнитного излучения, в том числе для параметрического зашумления с целью предотвращения удаленного считывания информации.

Уровень техники

Известен электрооптический модулятор на основе скрученного жидкого кристалла, описанный в патенте на изобретение США US6094246A, G02F 1/1335; С09К 19/0, дата 25/07/2000. Модулятор действует как переключаемая полуволновая пластина, которая может по выбору (в ответ на приложение или отсутствие приложения электрического поля) поворачивать входную линейную поляризацию на 0° или 90°. При отсутствии электрического поля модулятор поворачивает поляризацию входящего света на 90°. При приложении электрического поля поляризация поворачивается на меньшую величину. Данный модулятор обеспечивает относительно быстрое время переключения (порядка 50 мс), и относительно большие коэффициенты затухания (вплоть до минус 25 дБ). Недостатком данной структуры является ее непрозрачность в видимом диапазоне длин волн. Также в патенте не рассматривается возможность применения данной структуры для модуляции сигналов в диапазоне ИК длин волн.

Известна волноводная структура с фазовой модуляцией, описанная в патенте на изобретение США US8014636B2, G02F 1/035; H01L 29/06; Н04 В 10/04, дата 06/09/2011, которая включает в себя либо слои р- и n-легированного кремния, между которыми располагается слой оксида, либо р-и n-легированные слои SiGe, эпитаксиально выращенные на Si-подложке, между которыми также располагается слой оксида. В первом случае, когда прикладывается напряжение между слоями р- и n-легированного кремния, на обеих сторонах тонкого оксидного слоя, выполняющего роль затвора, происходит накопление носителей заряда, что приводит к изменению показателей преломления данных областей и, соответственно, к модуляции проходящего через волновод сигнала. Во втором случае напряжение прикладывается к легированным слоям SiGe, в результате чего энергия связанных состояний внутри тонкого оксидного слоя (квантовой ямы) уменьшается за счет кулоновского взаимодействия электронно-дырочных пар. Эффективная ширина запрещенной зоны модулируется, и в межзонном поглощении наблюдается красный сдвиг, что приводит к уменьшению пикового значения поглощения. В результате этого происходит модуляция интенсивности лазерного света, проходящего через квантовую яму. Свет при этом может направляться через границы раздела оксид/SiGe и SiGe/Si. К недостаткам предложенных структур можно отнести то, что применяемые материалы являются непрозрачными в видимом диапазоне длин волн. Также в патенте не рассматривается возможность применения данных структур для модуляции сигнала в диапазоне ИК длин волн.

Наиболее близкими аналогами являются компактный электрооптический модулятор, описанный в патенте на изобретение США US 10732441 В2, G02F 1/025, дата 04/08/2020 и фотонная интегральная схема, описанная в патенте на изобретение США US9535308B2, G02F 1/035; G02B 6/122; G02F 1/225, дата 03/01/2017.

В основе компактного электрооптического модулятора лежит интегральный конденсатор со структурой «металл-оксид-полупроводник» (МОП), прозрачный для видимого диапазона длин волн с одномерной кремниевой фотонной нанополостью. МОП-конденсатор представляет собой последовательность слоев ITO/SiO₂/Si (здесь и далее ITO: оксид индия-олова от англ. Indium tin oxide). Электрооптическая модуляция достигается путем переключения напряжения на обкладках данного конденсатора, в результате чего происходит изменение показателя преломления полупроводниковых слоев.

Фотонная интегральная схема включает диод на основе полупроводник-диэлектрик-полупроводник структуры (ПДП-структура) в составе оптического волновода. Данный оптический волновод входит в состав оптического модулятора, например, интерферометра Маха-Цендера. Барьерный диэлектрический слой представляет собой оксид или материал с высоким показателем поглощения. Полупроводниковые слои в диоде на основе ПДП-структуры могут включать в себя геометрические элементы (такие как периодический узор из отверстий или канавок), которые формируют оптический волновод на фотонном кристалле со смещенной решеткой, имеющий более низкую групповую скорость света, чем групповая скорость света в другом полупроводниковом слое без геометрических особенностей. Приложение электрического напряжения к полупроводниковым слоям приводит к изменению показателя преломления части материала в оптическом волноводе, что в свою очередь вызывает модуляцию проходящего через волновод оптического сигнала.

К недостаткам данных технических устройств (компактного электрооптического модулятора и фотонной интегральной схемы) можно отнести то, что конструкции устройств предназначены для модуляции сигналов видимого и/или ближнего ИК диапазонов длин волн, проходящих через волноводный тракт. Это приводит к маленькому размеру области, в которой осуществляется модуляция сигнала (порядка 1 мкм), что не позволяет использовать данные решения, например, для параметрического зашумления объектов остекления большой площади с целью предотвращения удаленного считывания информации.

Таким образом, не было обнаружено технических решений, представляющих собой пленочную структуру, обеспечивающую модуляцию ИК-сигналов, при этом пленочная структура прозрачна в видимом диапазоне длин волн.

Техническим результатом работы предлагаемого устройства является модуляция фазы проходящего через прозрачную многослойную пленочную структуру ИК-излучения, когда на проводящие слои, между которыми располагается слой прозрачного пьезоэлектрика этой структуры, подают напряжение - разность потенциалов. В результате использования предлагаемого технического решения прозрачная многослойная пленочная структура позволяет обеспечить параметрическое зашумление ИК-сигналов с целью предотвращения удаленного считывания информации, вследствие изменения фазы.

Раскрытие изобретения

Оптически прозрачное устройство представляет собой многослойную структуру, включающую в свой состав слои прозрачного пьезоэлектрика, прозрачные проводящие слои и диэлектрические согласующие слои. Функционирование устройства заключается в подаче напряжения на прозрачные проводящие слои, между которыми располагается слой прозрачного пьезоэлектрика, в результате чего происходит изменение геометрической и, как следствие, оптической толщины прозрачных пьезоэлектрических слоев, что приводит к модуляции фазы прошедшего сквозь данное устройство ИК-излучения.

В качестве прозрачных пьезоэлектрических слоев могут применяться слои прозрачной в видимом диапазоне пьезоактивной среды, например, на основе керамики со структурой перовскита (титаната-цирконата двухвалентного металла, например, свинца (PZT) или др.) или полимера (например, на основе поливинилденфторида и его сополимеров) толщиной до нескольких десятков микрометров. В качестве прозрачных проводящих слоев могут применяться нанометровые (прозрачные для видимого диапазона длин волн) слои металлов, например, серебра или меди, либо слои прозрачных проводящих широкозонных полупроводников, такие как ITO, легированный цинком оксид алюминия, оксид индия, оксид галлия, оксид цинка и оксид индия, галлия и цинка. В качестве согласующих слоев могут применяться прозрачные в видимом диапазоне диэлектрические среды с существенно отличающимися показателями преломления, например, такие, как SiO₂, ТiО₂ и ZiO₂. Толщины слоев подбираются исходя из требований к величине модуляции сигнала и диапазону частот.

Для уменьшения акустических шумов подача управляющего напряжения на слои осуществляется таким образом, чтобы изменение геометрии пьезоактивных слоев (прозрачных пьезоэлектрических слоев) не приводило к существенному изменению совокупной толщины структуры и смещению ее центра масс.

Особенностью данного устройства является то, что оно позволяет выполнять модуляцию сигнала в ИК-диапазоне длин волн, при этом являясь прозрачным в видимом диапазоне длин волн. Кроме того, размер активной области устройства можно сделать достаточно большим (например, площадью в несколько квадратных метров). Ограничения по размеру определяются технологическими возможностями установки, на которой производится нанесение слоев данного устройства.

Поясним работу устройства на примере расчета модуляции фазы прошедшего сигнала ИК-диапазона через многослойную структуру, состоящую из слоев, расположенных в следующем порядке: слой ITO, слой пьезоэлектрического материала (PZT), слой ITO, слой Si02, слой ITO, слой пьезоэлектрического материала (PZT), слой ITO, при расчетах полагалось, что напряжение подается на слои ITO.

Численные эксперименты были проведены на примере структур со следующими толщинами слоев:

- 20 нм ITO, 200 нм PZT, 200 нм SiO₂ (структура №1);

- 200 нм ITO, 200 нм PZT, 200 нм SiO₂ (структура №2);

- 500 нм ITO, 200 нм PZT, 200 нм SiO₂ (структура №3);

Удельное сопротивление слоя ITO было взято равным 3⋅10^-5 Ом⋅м.

Пьезоэлектрический коэффициент слоев PZT был выбран равным 289 пКл/Н.

Для расчета свойств многослойных «одномерных» систем (таких, как экранирующий слой на толстой подложке или многослойные оптические покрытия) удобно использовать матрицы переноса [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982], [Калитеевский М.А., Кавокин А.В. // ФТТ. 1995. Т. 37. Вып.10. С.2721-2728], так как матрица переноса системы последовательно соединенных подсистем может быть найдена путем матричного умножения матриц переноса подсистем в порядке, соответствующем последовательности их соединения.

Дальнейшие выкладки основаны на следующих уравнениях Максвелла (записанных для системы СИ) и граничных условиях:

где H - напряженность магнитного поля, Е - напряженность электрического поля, D - электрическая индукция, В - магнитная индукция, j - плотность тока, обусловленного макроскопическим переносом заряда - векторы, кроме того, ρ - плотность заряда, n - нормаль поверхности раздела сред, а нижние индексы (1 и 2) обозначают номер среды, ∇ - дифференциальный оператор набла, при этом:

∇ × Н ≡ rot Н, аналогично для Е,

∇ ⋅ D ≡ div D, аналогично для В.

Также, если явно не указано обратное, будут учитываться только линейные эффекты, не будут учитываться магнитоэлектрические эффекты, пространственная дисперсия и некоторые другие усложняющие описание явления, в связи с чем далее полагается:

где и - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости (тензоры второго ранга). Для изотропных сред вместо этих тензоров могут использоваться скалярные относительные проницаемости ε и μ.

ε₀ и μ₀ - электрическая и магнитная постоянные соответственно.

Из условий (5) и (6) в задаче об одиночной падающей плоской волне следует равенство набега фазы волн по обе стороны границы при смещении вдоль поверхности раздела сред, в связи с чем проекция волнового вектора на плоскость раздела сред должна быть одинакова по обе стороны границы. Вместе с тем, для изотропного материала, вне зависимости от ориентации волнового вектора, выполняется следующее равенство:

где k - волновой вектор, k₀ ≡ ω/с, ω - частота электромагнитной волны, с - скорость света.

Выбрав систему координат (Декартову систему координат 0xyz) таким образом, чтобы волновой вектор лежал в плоскости yz, находим:

где θ - угол падения волны относительно оси z в свободном пространстве, то есть угол падения волны на границу раздела сред из пространства (полупространста) вне многослойной структуры.

Рассмотрим два случая: падение под углом θ к нормали границы раздела сред s-поляризованной (ТЕ - от анг. Transverse Electric) волны и р-поляризованной (ТМ - от анг. Transverse Magnetic) волны. В дальнейших рассуждениях будем обозначать амплитуды и другие характеристики прямо и обратно распространяющихся волн индексами «+» и «-», а обозначения их величин, справедливых для одного из полупространств, снабжать апострофом (обозначения соответствующих величин для второго полупространства будут даны без апострофа).

В случае s-поляризации в выбранной системе координат вектор Е всюду направлен вдоль оси х. Таким образом, в соответствии с уравнением (2), для компоненты Н, направленной вдоль границы раздела сред, справедливо:

Принимая в расчет условия (5) и (6), находим:

Таким образом, матрица переноса электрической составляющей волн с s-поляризацией на границе раздела сред имеет следующий вид:

Матрица переноса, связывающая амплитуды волн (любой поляризации) у границ слоя толщины h с внутренней стороны, имеет следующий вид:

где i - мнимая единица.

Таким образом, матрица переноса, связывающая электрические амплитуды s-поляризованных волн снаружи от границ слоя толщины h, находящегося в вакууме, может быть вычислена следующим образом:

Перемножая матрицы в уравнении (18) и производя замены на основании приведенных выше равенств, находим:

где I - единичная матрица.

Аналогичным образом могут быть получены матрицы переноса для магнитной составляющей р-поляризованных волн на границе раздела сред и снаружи от границ слоя толщиной h:

В однородном изотропном материале справедливо следующее соотношение между электрической и магнитной компонентами плоской электромагнитной волны:

где - волновое сопротивление вакуума.

Следовательно, переход от магнитных матриц переноса к электрическим может быть осуществлен следующим образом:

Применяя выражение (23) к (20) и (21), находим:

Таким образом, распространение плоской монохроматической волны, падающей под углом θ к нормали, через находящийся в вакууме однородный изотропный слой материала толщиной h описывается следующими уравнениями:

где или - компоненты матрицы переноса (Т) для s- и р- поляризации падающей волны, соответственно.

В случае тонкого электропроводящего слоя необходимо учитывать вклад удельной проводимости в эффективную диэлектрическую проницаемость. На частотах, существенно меньших плазменной частоты (т.е. когда можно считать, что заряды в проводнике реагируют на поле мгновенно), это можно выразить следующим образом:

где ε₂ - мнимая часть диэлектрической проницаемости, σ - удельная проводимость, ε₀ - электрическая постоянная.

На достаточно низких частотах, когда вклад удельной проводимости в эффективную диэлектрическую проницаемость оказывается определяющим, толщина скин-слоя может быть определена следующим образом:

где μ₀ - магнитная постоянная.

В соответствии с этим уравнение (26) для электропроводящего слоя переписывается следующим образом:

где R_S - поверхностное сопротивление материала.

Прохождение волны через структуру можно описать следующим выражением:

где а - вектор, описывающий поле на выходе из системы, b - вектор, описывающий поле на входе в систему, Т - матрица переноса для диэлектрического (26) или электропроводящего (32) слоя.

где b[0] - напряженность электрического поля падающей волны на входе, b[1] - напряженность электрического поля отраженной волны на входе, а[0] - напряженность электрического поля прошедшей волны на выходе, а[1] - напряженность электрического поля обратно распространяющейся волны на выходе (если за рассматриваемой системой вакуум, то а[1]=0).

Так как матрица переноса квадратная 2x2, можно записать:

Поскольку а[1]=0, выражения (37) и (38) переписываются следующим образом:

Для расчета изменения фазы проходящей через структуру волны необходимо смотреть на изменение прошедшей волны по отношению к падающей, что описывает уравнение (39). Информация об изменении фазы будет заключена в Т₁₁.

Поскольку матрица Т комплексная, изменение фазы проходящей волны может быть вычислено следующим образом:

Модуляция фазы проходящего сигнала в зависимости от прикладываемого напряжения может быть вычислена следующим образом:

где МФ - модуляция фазы, V₁ и V₂ - напряжения, прикладываемые к проводящим слоям (индексы обозначают различные значения, прикладываемых напряжений).

На основе представленной выше модели был проведен численный эксперимент по расчету модуляции фазы прошедшего сигнала описанной выше многослойной структуры в спектральном диапазоне 780-2600 нм. Фаза прошедшей через структуру волны в моделируемом спектральном диапазоне колеблется в пределах от -π до π. Модуляция фазы в данном спектральном диапазоне, которая является разностью фаз, прошедшей через рассматриваемую структуру волны при напряжениях 0 и 50 В, лежит в пределах от 0 до π.

Среднее значение модуляции фазы для рассматриваемого спектрального диапазона составило 0,1244 рад для структуры №1,0,1017 рад - для структуры №2 и 0,1304 рад - для структуры №3.

Таким образом достигнут обозначенный выше технический результат.

Изобретение предназначено для использования в составе элементов остекления и средств визуального отображения информации для обеспечения параметрического зашумления ИК-излучения. Технический результат - параметрическое зашумление с целью предотвращения удаленного считывания информации. Оптически прозрачное устройство представляет собой многослойное покрытие, включающее в свой состав слои прозрачного пьезоэлектрика, прозрачные проводящие слои либо слои широкозонного полупроводника, согласующие слои. Функционирование устройства заключается в подаче напряжения на слои металла либо широкозонного полупроводника, в результате чего происходит изменение геометрической и, как следствие, оптической толщины пьезоактивных слоев, что приводит к модуляции фазы проходящего ИК-излучения. Для уменьшения акустических шумов подача управляющего напряжения на слои может осуществляться таким образом, чтобы изменение геометрии пьезоактивных слоев не приводило к существенному изменению совокупной толщины покрытия и смещению его центра масс.

Устройство для модуляции ИК-излучения, представляющее собой многослойную структуру, состоящую из слоев, расположенных в следующем порядке: слой ITO, слой пьезоэлектрического материала PZT, слой ITO, слой SiO₂, слой ITO, слой пьезоэлектрического материала PZT, слой ITO, при этом слои прозрачного пьезоэлектрика PZT имеют толщину 200 нм, слои широкозонного полупроводника ITO имеют толщину от 20 до 500 нм, диэлектрический согласующий слой - прозрачная среда, такая, как SiO₂ - имеет толщину 200 нм, а функционирование такой многослойной структуры заключается в том, что, когда на слои широкозонного полупроводника ITO, между которыми располагается слой прозрачного пьезоэлектрика PZT, подают напряжение, происходит изменение геометрической и, как следствие, оптической толщины слоев прозрачного пьезоэлектрика PZT, что приводит к модуляции фазы проходящего ИК-излучения.