Оптический диод на двумерных фотонных кристаллах Российский патент 2024 года по МПК G02F1/00 G02B6/00 

Изобретение относится к интегральной оптике [4] и компонентной базе оптических устройств обработки информации. Оптический диод - устройство, обладающее существенно разными коэффициентами пропускания при прохождении света в прямом и обратном направлении, является важным компонентом многих оптических систем. Изобретение может быть использовано в оптической обработке сигналов, а также сфере приборостроения с применением элементов интегральной оптики.

Известна полезная модель оптического диода (Патент № RU 177027 U1 2017117499 от 02.06.2018. Авторы: Калмыков Алексей Сергеевич, Мелентьев Павел Николаевич, Афанасьев Антон Евгеньевич, Юсупов Владимир Исаакович, Балыкин Виктор Иванович). Данная полезная модель раскрывает способ создания оптического диода. Оптический диод состоит из подложки, фотонного кристалла, металлической пленки толщиной от 100 до 250 нм с массивом наноотверстий диаметром от 100 до 300 нм. Фотонный кристалл изготовлен из чередующихся диэлектрических слоев, при этом количество слоев составляет от 50 до 150. Предложенная модель работает следующим образом: в случае, если свет падает по нормали со стороны подложки, излучение ослабляется из-за отражения на фотонном кристалле. В случае, если свет падает по нормали с другой стороны - со стороны металлической пленки с массивом наноотверстий, свет, прошедший через наноотверстие, испытывает дифракцию и распространяется в большом телесном угле, проходя без ослаблений.

Однако у предложенной модели есть недостатки. Первым недостатком является сложность изготовления образца. В процессе используется тонкая металлическая пленка, наносимая методом термического распыления. Контроль толщины пленки - трудоемкий процесс, так как толщина пленки - строго определенная величина, от которой зависит пропускание. Зависимость металла от сульфидации и окисления на открытом воздухе - немаловажный фактор выбора, ограничивающего производственные возможности.

Известен оптический диод (Патент КНР № CN 101840025 А от 22.09.2010), выполненный в виде линейного фотонно-кристаллического устройства, являющегося комбинацией фотонного кристалла и дефлектора. Дефлектор луча расположен на одной стороне фотонного кристалла и используется для ввода светового луча, либо отклонения светового луча, выходящего из зоны проводимости фотонного кристалла. Рассмотренный оптический диод обладает некоторыми недостатками, в числе которых сама конструкция дефлектора. Отклонение луча относительно трудно контролировать. Также заявленное устройство не соответствуют одному из принципов создания диода, а именно - симметрии. В представленной модели оптический сигнал запускается с одной стороны в первом случае, отклоняется дефлектором и затем распространяется под некоторым углом, относительно нормали. Но во втором случае, оптический сигнал запускается не по траектории распространения отклоненного луча, но по нормали. Диод изготовлен в качестве образца для исследований, но не рассматривается авторами патента в качестве элемента интегральной оптики.

Известна модель оптического диода (Boaz Blankrot and Clemens Heitzinger, "Design of aperiodic demultiplexers and optical diodes by optimizing photonic crystals", OSA Continuum 2, 2244-2252, 2019), предполагающая два типа апериодических устройств: демультиплексор и оптический элемент для реализации пассивной односторонней передачи. Оба устройства имеют нерегулярное распределение радиусов дырок, вводящее дополнительные степени свободы. Однако, в подобных устройствах возникают трудности с подводом и отводом излучения, высокие потери не позволяют использовать их в качестве части сложного интегрального вычислительного устройства. Даже после оптимизации, выполненной авторами работы, режим запирания оставляет паразитное излучение, которое продолжает волноводное распространение. Значение уровня сигнала режима пропускания всего в три раза выше соответствующих значений режима запирания, что может затруднить дальнейшую работу с предложенными устройствами.

Таким образом, в силу изложенных принципиальных недостатков предыдущих конструкций задачей изобретения становится создание оптического диода, выполненного на основе комбинации двумерных фотонных кристаллов. Каждый из кристаллов характеризуется своим периодом решетки, радиусом одного стержня, топологией, а так же своим фундаментальным принципом работы. Предложенный интегральный элемент реализуем традиционными технологиями планарной наноэлектроники. Решение поставленной задачи реализуется за счет устройства, представляющего систему из двух фотонных кристаллов и устройств согласования, позволяющих провести оптический сигнал с наименьшими потерями в режиме пропускания.

При решении поставленной задачи предлагается следующий набор элементов, где (1) - источник лазерного излучения. Данный источник работает в одном направлении, передавая излучение слева направо. В предложенной системе, изображенной на фиг. 1, используются согласующие устройства (2, 4, 6). На схеме (слева) представлен фотонный кристалл, проводящий излучение за счет эффекта самоколлимации (3). В правой части фотонный кристалл с дефектом в виде удаленного ряда (5). Во втором случае источник излучения (7) расположен в правой части, распространение излучения происходит справа налево. Данное устройство может быть реализовано как элемент или составная часть элемента интегральной оптики. Оптический сигнал, попавший в фотоннокристаллический волновод с удаленным рядом элементов, распространяется без рассеяния. Однако, при переходе излучения из волновода (5) в волновод, работа которого основана на эффекте самоколлимации (3), дальнейшего распространения не происходит ("запирание"). Если оптическое излучение распространяется слева направо, проходя сначала через волновод, основанный на эффекте самоколлимации (3), то затем оптический сигнал, распространяющийся в центральной части этого волновода, переходит в волновод с дефектом, где также наблюдается дальнейшее волноводное распространение.

Указанное поведение излучения объясняется особенностями каждого из волноводов. Для волноводного распространения в элементе, основанном на эффекте самоколлимации, требуется ширина пучка, равная нескольким периодам решетки фотонного кристалла. В таком случае излучение каналируется. На фиг. 2а изображен прямой режим пропускания оптического диода. Видно, что на левом волноводе (с самоколлимацией) есть несколько каналов распространения излучения, однако все кроме центрального затухают и большая часть оптического сигнала проходит именно через центральную часть, попадая потом в правый волновод. В волноводе с дефектом в виде удаленного ряда элементов ширина подаваемого пучка соизмерима с одним периодом решетки волновода, что в несколько раз меньше ширины пучка, подаваемого на волновод с самоколлимацией. В режиме пропускания ширина пучка на выходе из волновода с самоколлимацией примерно равна одному периоду решетки волновода с дефектом, что позволяет излучению продолжить волноводное распространение. Однако, при обратном направлении ширины пучка, выходящего из волновода с дефектом, в другой волновод, не хватает, чтобы обеспечить распространение оптического сигнала. Часть оптического сигнала заходит внутрь, однако быстро затухает (приблизительно через 7-10 периодов), что позволяет назвать данный режим "запиранием" (фиг. 2б), а прямое распространение (из волновода с самоколлимацией в волновод с дефектом) "пропусканием" (фиг. 2а). Стоит отметить, что по результатам компьютерного моделирования (фиг. 2) в режиме пропускания на выходе из волновода с дефектом регистрируется 30 процентов от изначального оптического сигнала, однако, при обратном направлении распространения значения выходного сигнала равны нулю. Оптическое излучение, зашедшее в фотонно-кристаллический волновод с самоколлимацией, быстро затухает.

Источники информации

1. Lopez С. Materials aspects of photonic crystals // Advanced Materials, 2003, 15(20), 1679-1704.

2. Noori M., Soroosh M., Baghban H. Self-collimation in photonic crystals: applications and opportunities // Annalen der Physik, 2018, 530(2), 1700049.

3. Jamois C., Wehrspohn R.В., Andreani L.C., Hermann C., Hess O., Gösele U. Silicon-based two-dimensional photonic crystal waveguides // Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, 2003, 1(1), 1-13.

4. Murphy E.J. Integrated optical circuits and components: Design and applications // CRC press, 2020.

Изобретение относится к интегральной оптике и компонентной базе оптических устройств обработки информации. Оптический диод на двумерных фотонных кристаллах, выполненный из двух двумерных фотонно-кристаллических структур на одной подложке, соединенных согласующими устройствами, при этом одна фотонно-кристаллическая структура выполнена с эффектом самоколлимации, другая фотонно-кристаллическая структура выполнена с дефектом в виде удаленного ряда элементов решетки, при этом оптический сигнал, поданный со стороны фотонно-кристаллической структуры, выполненной с дефектом в виде удаленного ряда, проходит ее и затухает в структуре с самоколлимацией, а при подаче оптического сигнала со стороны фотонно-кристаллическй структуры с самоколлимацией оптический сигнал проходит через обе фотонно-кристаллические структуры. Устройство согласно изобретению, представляющее систему из двух фотонных кристаллов и устройств согласования, позволяет провести оптический сигнал с наименьшими потерями в режиме пропускания. 2 ил.

Оптический диод на двумерных фотонных кристаллах, выполненный из двух двумерных фотонно-кристаллических структур на одной подложке, соединенных согласующими устройствами, при этом одна фотонно-кристаллическая структура выполнена с эффектом самоколлимации, другая фотонно-кристаллическая структура выполнена с дефектом в виде удаленного ряда элементов решетки, при этом оптический сигнал, поданный со стороны фотонно-кристаллической структуры, выполненной с дефектом в виде удаленного ряда, проходит ее и затухает в структуре с самоколлимацией, а при подаче оптического сигнала со стороны фотонно-кристаллическй структуры с самоколлимацией оптический сигнал проходит через обе фотонно-кристаллические структуры.