УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ ФУРЬЕ-ФИЛЬТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ДВУМЕРНЫХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2025 года по МПК G02F1/01 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оптике, а именно к устройствам для управления светом путем модификации оптических свойств среды для управления интенсивностью и фазой (G02F 1/01). Изобретение может быть использовано в интегральной оптике, оптоэлектронике, фотонике для создания нового поколения аналоговых устройств для анализа структуры электромагнитного излучения.

Уровень техники

Развитие нанофотоники привело к созданию метаповерхностей для управления такими характеристиками света, как амплитуда, фаза, поляризация и т.д. Метаповерхности - это плоскостные структуры с упорядочением элементов (мета-атомов), которые периодически или квазипериодически расположены с периодом меньшим или сравнимым с длиной волны излучения. Оптические метаповерхности формируют оптический отклик, который обусловлен не только свойствами материала мета-атомов, но и возникающей за счет упорядочения структурной дисперсией. Использование таких устройств в различных схемах фильтрации позволяет выполнять полностью аналоговую обработку сигнала быстрее, чем цифровую. Ключевой проблемой в создании таких устройств является отсутствие возможности изменять отклик метаповерхности на внешнее электромагнитное поле в видимом и ближнем ИК диапазоне с высокой скоростью. Важным признаком таких устройств является совместимость с КМОП (комплементарные структуры металл-оксид-полупроводник), облегчающая внедрение устройств в существующие линии производства микроэлектронной промышленности.

В случае оптического отклика устройства с пространственным разрешением можно описывать задачу управления оптическим откликом как Фурье-фильтрацию. На двумерное устройство подается двумерный оптический сигнал (изображение) f(x, y) c заданным распределением амплитуды и фазы электромагнитного излучения. После взаимодействия с устройством оптический сигнал изменяется, т.е. фильтруется. Изменение может касаться амплитуды либо фазы сигнала (амплитудная и фазовая фильтрация, соответственно), либо одновременно изменять и амплитуду, и фазу (амплитудно-фазовая фильтрация). Данное изменение оптического сигнала можно описать математически комплексной функцией пропускания Т(х, y), и тогда оптический отклик устройства будет равносилен операции свертки исходного оптического сигнала f(x, y) с функцией t(х, y), причем T(x, y) является Фурье-образом функции t(x, y). Одними из наиболее востребованных операций с изображениями являются операции дифференцирования, которые позволяют определить границы задаваемого изображения, что часто используется для дальнейшего распознавания объекта на изображении.

Из уровня техники известно устройство, выполненное в виде оптической пластинки для модуляции амплитуды, фазы и/или поляризации излучения (например, света и излучения с другими длинами волн) и способы ее изготовления и использования (US 8848273 B2). Устройство состоит из массива металлических или диэлектрических нанорезонаторов различной формы, размещенных на подложке или в ней. Устройство обеспечивает резкое изменение фазы волны, амплитуды или поляризации.

Однако данное устройство не обеспечивает возможности изменения оптического отклика после изготовления.

Из уровня техники также известен способ измерения глубины и выделения краев на основе суперповерхности, целиком погруженной в среду (CN 116777970 A). Устройство для реализации данного способа состоит из наноантенн, выполненных из аморфного кремния и обеспечивает определение границ изображений за счет фазового профиля поверхности.

Однако данное устройство не позволяет осуществлять одновременную амплитудную и фазовую фильтрацию и не имеет перестройки оптического отклика.

Из уровня техники известен способ трехмерного формирования луча с помощью метаповерхностей для достижения необходимой фазы, амплитуды и поляризации (US 11450970 B2). Способ подразумевает использование каскада метаповерхностей из диэлектрических или металлических нанорезонаторов в периодической решетке. Форма нанорезонаторов определяет трехмерную конфигурацию выходного луча и определяется с помощью итеративных расчетов посредством компьютерного моделирования.

Однако данное устройство обладает большими размерами и, кроме того, функцию пропускания такого устройства невозможно изменить.

Из уровня техники известны способы реализации термически настраиваемой метаповерхности (DOI: 10.1002/adfm.201700580). Подход подразумевает температурную настройку интерференции магнитных дипольных и электрических квадрупольных мод наночастиц, расположенных в двумерной решетке. Настройка этих резонансов может вызвать резкие обратимые изменения направленного рассеяния метаповерхности.

Однако в данном способе постоянная времени термомодуляции обычно составляет порядка от 10 мкс до 1 мс, что не является достаточным для эффективного управления светом в интегральных оптических схемах.

Из уровня техники известно переключаемое устройство метаповерхности в видимом свете путем изменения температуры (KR 20230023237 A). Устройство выполнено с использованием комбинированной структуры пленка золота/пленка диоксида ванадия/наночастицы золота. Эффект обусловлен фазовым переходом металл-диэлектрик диоксида ванадия при температуре 70°C.

Однако поскольку характерное время для управления таким устройством составляет порядка нескольких десятков миллисекунд, устройство по патенту KR 20230023237 A не решает проблему поиска оптических модуляторов с высокой скоростью переключения отклика.

Из уровня техники известен способ реализации сверхбыстрой полностью оптической настройки прямозонных полупроводниковых метаповерхностей (DOI: 10.1038/s41467-017-00019-3). Подход подразумевает использование фемтосекундного лазерного импульса для изменения показателя преломления и экстинкции материала, в результате чего отражение метаповерхности изменяется на временах порядка пикосекунд. В работе используются два вида оптического сигнала: (1) «накачка» - мощный лазерный импульс, который обычно воздействует на метаповерхность первым и изменяет ее оптический отклик; (2) «зонд», лазерный импульс, который обычно воздействует после импульса накачки, и определяет оптический отклик метаповерхности.

Однако в приведенной публикации данный подход не позволяет выполнять пространственную фильтрацию профиля двумерного сигнала и может быть использован только для изменения общей интенсивности лазерного пучка. Причиной этого является использование метаповерхности с постоянным периодом решетки и размером дисков.

Известен способ дифференцирования изображений при помощи устройств на основе метаповерхностей (DOI: 10.1007/s12200-021-1124-5). Предложены несколько вариантов оптических схем для реализации Фурье-фильтрации 1 порядка, т.е. выполнение дифференциации 1 порядка для определения границ изображения. Однако недостатком такого подхода является то, что предложенные варианты статичны и не позволяют поменять заданную функцию фильтрации после изготовления структуры.

Наиболее близким к заявляемому изобретению являются система и способ реализации электрически перестраиваемых метаповерхностей (US 10775648 B2). В структуру метаповерхности включен проводящий слой, управляемый источником электрического поля, что позволяет управлять фазой отраженного электромагнитного поля и, как следствие, перестраивать направление распространения отраженного луча.

Однако характерное время перестройки подобных электрических устройств составляет величину в диапазоне наносекунд, что достаточно медленно для эффективного управления светом в интегральных оптических схемах. Помимо этого представленная геометрия метода позволяет реализовывать только отражающие структуры. Также предложенные метаповерхности являются чувствительными к поляризации падающего света, что приведет к потерям интенсивности сигнала при работе со светом со смешанной поляризацией. Дополнительно указанные метаповерхности модулируют только фазу падающего луча и не позволяют выполнять амплитудно-фазовую фильтрацию.

Таким образом, техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в необходимости создания компактного и перестраиваемого устройства, способного модулировать амплитуду и фазу пучка света с использованием метаповерхностей, а также способа амплитудно-фазовой Фурье-фильтрации оптических двумерных сигналов с помощью перестраиваемых метаповерхностей. Эти метаповерхности позволяют преодолеть недостатки существующих аналогов, обеспечивая улучшенные характеристики, такие как контроль пропускания света на субволновых масштабах, совместимость с современными технологиями производства микроэлектроники (такими как технологии производства комбинированных структур металл-оксид-полупроводник, КМОП-технологии), одновременный контроль пропускания и сдвиг фазы, а также высокоскоростную перестройку оптического отклика.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении амплитудно-фазовой фильтрации светового пучка на высоких частотах, превышающих 100 ГГц. Техническое преимущество заявляемого устройства заключается в компактности, наличии активной перестройки для одновременного получения двух производных от обрабатываемого изображения, а также в обеспечении способности интеграции сверхбыстрого модулятора в оптические микросхемы за счет совместимости с технологией КМОП. Дополнительно предлагаемое устройство может работать с любой поляризацией входного излучения и в режиме пропускания.

Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для амплитудно-фазовой Фурье фильтрации оптических сигналов представляет собой метаповерхность, выполненную из субволнового двумерного массива нанорезонаторов, представляющих собой периодические решетки Ми-резонансных наночастиц прямозонного полупроводникового материала с высоким показателем преломления n>3, расположенных в/на прозрачной диэлектрической подложке с низким показателем преломления n в диапазоне от 1,5 до 1,8, при этом метаповерхность разделена на отдельные регионы, характеризующиеся различными значениями показателя преломления, который определяется формой, размером наночастиц и периодом их упорядочения в каждом регионе метаповерхности, при этом пространственное распределение показателя преломления метаповерхности в отсутствие или при наличии воздействия оптической накачки соответствует двум определенным функциям Фурье-фильтрации, то есть активная функция Фурье-фильтрации характеризуется возможностью изменения в результате воздействия накачки в форме оптического фемтосекундного импульса с характерной энергией импульса от 1 до 10 нДж. В качестве материала для нанорезонаторов используют прямозонные полупроводники, а именно, GaAs, AlGaAs, InP, InGaAsP. Нанорезонаторы имеют форму дисков или сфер, или параллелепипедов, или колец и поддерживают электромагнитные резонансы Ми-типа. Размеры нанорезонаторов составляют от 100 нм до 1500 нм. Период решетки в регионах метаповерхности находится в диапазоне от 100 нм до 1500 нм.

Способ перестраиваемой амплитудно-фазовой Фурье-фильтрации оптического двумерного сигнала «зонд» с использованием описанного выше устройства, выполненного по п. 1 формулы изобретения, при помощи внешнего пучка «накачка», в соответствии с которым:

- определяют два независимых фильтра, связывающих входные и выходные сигналы, между которыми необходимо обеспечить перестройку при неодновременном или одновременном поступлении сигналов «зонд» и «накачка»;

- формируют массив данных о зависимости пропускания, отражения, поглощения и сдвига фазы периодических решеток метаповерхности от формы находящихся в них наночастиц в двумерном массиве нанорезонаторов;

- оптимизируют расположение и формы наночастиц метаповерхности, для чего разделяют метаповерхность на регионы с различным показателем преломления, при этом каждый регион представляет собой периодическую решетку из одинаковых наночастиц;

- на оптимизированную таким образом метаповерхность направляют два пучка фемтосекундного оптического импульса, один из которых - «накачка» изменяет оптические свойства метаповерхности в соответствии с эффектами Бурштейна-Мосса, сжатия запрещенной зоны и поглощения свободных носителей, а другой - «зонд» меняется необходимым образом, то есть при отсутствии импульса реализуется первая функция Фурье-фильтрации, а при его воздействии - вторая функция Фурье-фильтрации,

- выполняют настройку отклика метаповерхности на второй пучок, регулируя временную задержку между пучками «накачка-зонд». Изменение показателя пропускания обусловлено зонными эффектами, а именно эффектами Бурштейна-Мосса, сжатия запрещенной зоны и поглощения свободных носителей. Устройство, выполненное по п. 1, размещают в фокальную перетяжку, состоящую из двух линз для выполнения Фурье фильтрации, при этом фильтрация пучка света осуществляется в Фурье-пространстве 4f оптической схемы так, что излучение, прошедшее через первую линзу, попадает на устройство, выполненное по п. 1, которое выполняет фильтрацию, меняя амплитуду и фазу электрического поля Фурье-образа входного сигнала, а после прохождения через вторую линзу преобразуется обратно в параллельный лучевой пучок. Для перестройки между двумя функциями пропускания устройства, выполненного по п. 1, в оптической схеме изменяется длина линии задержки, внося отставание между пучками «зонд» и «накачка» не менее времени рекомбинации свободных носителей выбранного материала.

В отличие от контроля электрическим полем, управление откликом подобных объектов при помощи оптических высокоэнергетических импульсов представляет большее преимущество, поскольку операции с оптическими сигналами происходят значительно быстрее, чем управление электрическими сигналами. Эти преимущества гибридных материалов позволяют разработать метод модуляции пропускания и сдвига фазы прошедшего оптического излучения с использованием структуры, размеры которой меньше длины волны применяемого излучения.

Способ характеризуется тем, что на полупроводниковую метаповерхность попадает два пучка, один из которых (накачка) изменяет оптические свойства поверхности в соответствии с эффектами Бурштейна-Мосса, сжатия запрещенной зоны и поглощения свободных носителей, а другой (зонд) меняется требуемым образом. Регулируя временную задержку между пучками «накачка-зонд», можно выполнять настройку отклика структуры на второй пучок. Мощность лазерного излучения не превышает порядка нескольких сотен мВт, т.к. при больших мощностях происходит разрушение структуры. Структура чувствительна к колебаниям температуры ввиду термического расширения, поэтому использование подразумевает работу при комнатной температуре. В случае необходимости возможно сменить рабочий температурный диапазон.

Также способ характеризуется размещением устройства в перетяжку 4f оптической схемы, состоящей из двух линз для выполнения Фурье фильтрации. 4f-схема в перетяжке создает Фурье-образ распределения электромагнитного поля входного пучка. Излучение, прошедшее через первую линзу, попадает на устройство, которое выполняет фильтрацию, меняя амплитуду и фазу электрического поля Фурье-образа входного сигнала, а после прохождения через вторую линзу преобразуется обратно в параллельный лучевой пучок.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где

На фиг.1 представлено схематичное изображение полупроводник-диэлектрической метаповерхности: двумерный массив наночастиц, состоящий из одной или нескольких периодических решеток (1), расположенный на прозрачной подложке (2) и покрытый слоем прозрачного материала (3).

На фиг.2 представлено схематичное изображение полупроводник-диэлектрической метаповерхности без пассивационного слоя прозрачного материала: двумерный массив наночастиц, состоящий из одной или нескольких периодических решеток (1), расположенный на прозрачной подложке (2).

Фиг.3 демонстрирует принципиальную оптическую схему способа анализа изображений, где (4) - импульсный источник оптического излучения, (5) - светоделитель, разбивающий луч на накачку и зонд, (6) - зеркала на трансляторе, смещение зеркал позволяет изменять менять длину линии задержки, тем самым осуществляя настройку оптического отклика структуры, (7) - маска для формирования анализируемого пучка света, (8) - оптические линзы в 4f схеме (первая формирует Фурье-образ пучка, вторая обратно формирует параллельный пучок света), (9) - используемое устройство (метаповерхность), (10) - детектор оптического излучения.

На фиг.4 представлен график, демонстрирующий изменение показателя преломления n и экстинкции k материала без оптической накачки (пунктирная линия) и при оптической накачке (сплошная линия) с концентрацией свободных носителей N=10¹⁹ см^-3.

На фиг.5 представлены графики, демонстрирующие результаты расчета (снизу) пропускания одной из возможных реализаций метаповерхности в сравнении с теорией (сверху) без накачки (слева) и с накачкой (справа). Результатом является получение второй и первой производной от исходного изображения буквы «Н», соответственно.

На фиг.6 представлены графики, демонстрирующие результаты расчета зависимости пропускания и сдвига фазы для наночастиц в зависимости от их формы и периодичности решетки. Наночастицы использованы в виде дисков из арсенида галлия высотой 150 нм, период меняется от 300 нм до 550 нм, диаметр частиц меняется от 150 нм до 400 нм.

На фиг.7 представлены графики, демонстрирующие требуемую функцию пропускания и сдвига фазы, и пропускание и сдвиг фазы регионов метаповерхности, смоделированной для реализации этой функции.

На фиг.8 представлены некоторые из возможных способов разбиения метаповерхности на регионы с различным значением комплексного коэффициента пропускания: слева - деление на одинаковые квадратные регионы, справа - разбиение на кольцевые регионы различного размера.

На фиг.9 схематически представлена связь количества регионов в метаповерхности с точностью аппроксимации заданной функции: функция отмечена сплошной линией, а ее аппроксимаций - штриховой линией. Слева: число регионов метаповерхности N₁ и соответствующая ошибка аппроксимации в центре dy₁, справа: число регионов метаповерхности N₂ и соответствующая ошибка аппроксимации в центре dy₂. От количества регионов зависит точность: так как N₁>N₂, то dy₁<dy₂.

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство представляет собой метаповерхность, состоящую из Ми-резонансных наночастиц прямозонного полупроводникового материала с высоким показателем преломления (n>3), расположенную на или в прозрачной диэлектрической подложке с низким показателем преломления (n в диапазоне 1,5…1,8) и при необходимости пассивированную материалом с низким показателем преломления (n в диапазоне 1,5…1,8). Прямозонный проводник необходим для реализации модуляции показателей преломления и поглощения вблизи запрещенной зоны полупроводника за счет зонных эффектов (эффектов Бурштейна-Мосса, сжатия запрещенной зоны и поглощения свободных носителей), возникающих в результате воздействия управляющего сигнала (оптической накачки). Метаповерхность представляет собой массив из нескольких регионов периодических решеток, минимально - из одной, максимально - из числа, равного суммарному числу резонансных частиц в метаповерхности. Разбиение на регионы может быть осуществлено в виде квадратов одинакового размера, либо квадратов разного размера, либо других форм регионов, полностью покрывающих площадь метаповерхности (Фиг.8). Количество регионов в метаповерхности определяется необходимой точностью аппроксимации функции пространственного распределения комплексного показателя пропускания T(x, y) и варьируется в зависимости от заданной допустимой погрешности при Фурье-фильтрации оптического сигнала (Фиг.9). Например, в случае одинакового размера регионов погрешность сигнала обратно пропорциональна числу этих регионов. Каждая периодическая решетка содержит наночастицы одинаковой формы и размера, и имеет свой показатель пропускания и сдвига фазы падающей волны, которые зависят от периода и формы наночастиц в решетке. В разных регионах метаповерхности осуществляются разные периодические решетки из резонансных частиц с различной формой, размером и периодом, что и приводит к различному значению пропускания и сдвига фазы для оптической волны, падающей на данную область решетки. Возможными формами наночастиц являются диски, кольца, параллелепипеды, конусы, усеченные конусы, пирамиды и другие трехмерные фигуры. Период выбирается таким образом, чтобы не было дифракции на периодическом массиве, не более отношения длины волны используемого излучения к показателю преломления материала и не менее размера частицы. Периодическая решетка в отдельном регионе может быть квадратной, прямоугольной, гексагональной, и др. Форма и размер наночастиц выбираются таким образом, чтобы поддерживать резонансы типа Ми для эффективной перестройки пропускания (амплитуда пропускания от 0 до 1) и сдвига фазы (сдвиг фазы от 0 до 2π). Таким образом, для заранее заданной величины комплексного коэффициента пропускания (т.е. амплитуды и фазы прошедшего излучения) в выбранном регионе определяются соответствующие параметры массива резонаторов, такие как период, размер и форма наночастиц, которые будут давать требуемый оптический отклик как в отсутствии, так и при наличии управляющего сигнала (оптической накачки).

Распределение таких периодических решеток на подложке определяет итоговую пространственную зависимость комплексного показателя пропускания T(x, y). Таким образом, при засветке всей метаповерхности пучком с поперечным распределением электрического поля f(x, y) на выходе образуется пучок T(x, y)⋅f(x, y).

Способ представляет собой следующую последовательность действий:

1. Под задачу на основе Фурье-анализа, например, для выделения границ изображения или удаления шумов на основе литературных или экспериментальных данных, выбирается 2 независимых фильтра, связывающие входные и выходные сигналы, между которыми будет осуществляться перестройка устройства из фильтра T11(x, y) в фильтр T12(x, y) при неодновременном приходе сигналов зонд и накачка и при одновременном соответственно. Обозначим входное двумерное распределение электрического поля f(x, y), выходное распределение g(x, y), их Фурье образы F(u v)=FT[f(x, y)] и G(u, v)=FT[g(x, y)] соответственно. Тогда при фильтрации с помощью фильтра T11 выходное распределение электрического поля g(x, y) пропорционально свертке f(x, y) * t11(x, y), где t11 и T11 связано как T11(u, v)=FT[t11(x, y)]. Аналогично с фильтром T12(u, v).

2. Далее формируется библиотека данных о зависимости пропускания, отражения, поглощения и сдвига фазы периодических решеток от формы и размера находящихся в них наночастиц в периодическом массиве, от его периода и от совпадения импульсов зонд накачка, материала и длины волны. Длина волны возбуждения определяется шириной запрещенной зоны. На основе этих данных выполняется разбиение устройства на участки, в которых будут находиться периодические решетки с одинаковыми наночастицами таким образом, чтобы итоговые фильтры с накачкой T21(u, v) и без накачки T22(u, v) соответствовали фильтрам T11(u, v) и T12(u, v). Пример такой реализации продемонстрирован на фиг.7.

3. Изготовленное устройство помещается для осуществления Фурье-фильтрации в фокальную перетяжку 4f оптической схемы, состоящей из двух линз. Попадающий в схему анализируемый пучок света (далее - «зонд») с поперечным распределением электрического поля f(x, y) фокусируется на метаповерхность с заданным распределением пропускания с помощью длиннофокусных линз (фокальное расстояние зависит от соотношения размеров анализируемых пучков и размеров метаповерхности, характерные значения находятся в диапазоне от 10 мм до 500 мм). Перед метаповерхностью распределение электрического поля в пучке «зонд» - FT[f(x, y)], где FT[…] - преобразование Фурье, реализуемое линзой. После метаповерхности в отсутствии накачки - G(u, v)=T21(u,v)⋅FT[f(x, y)] После прохождения выходной линзы - профиль пучка «зонд» g(x, y)=FT[T21(u,v)⋅FT[f(x, y)]], что пропорционально свертке функций g(x, y) ~ f(x, y)*t21(x, y), где t и T связано как T(x, y)=F[t(x, y)].

4) Для осуществления переключения между функциями T21(x, y) и T22(x, y) на метаповерхность подается второй сигнал («накачка»), осуществляющий управление пропусканием. Мощность накачки подбирается таким образом, чтобы поглощенная часть пучка возбудила большое количество свободных носителей (концентрация порядка и больше 10¹⁸ см^-3) в соответствии с эффектами Бурштейна-Мосса, сжатия запрещенной зоны и поглощения свободных носителей. На фиг.3 для этого исходный сигнал делится на 2 пучка, накачка и зонд, после чего сводится вместе посредством светоделителей 5 и зеркал 6. Переключение осуществляется за счет изменения задержки между импульсами накачки и зонда путем перемещения зеркал 6 и увеличения или уменьшения пути луча и за счет настройки входной мощности. Задержка между импульсами определяется временем рекомбинации выбранного материала.

Указанные особенности устройства и способа являются необходимыми и достаточными для получения заявляемого технического результата.

Пример конкретного выполнения

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. Метаповерхность была разделена на 11 периодических решеток с шириной 20 мкм и длиной 220 мкм, каждая такая решетка состоит из одинаковых колец из арсенида галлия высотой h=150 нм. Геометрические параметры каждой решетки были подобраны таким образом, чтобы коэффициент пропускания так с накачкой был аппроксимирован функцией T12(u, v)=a₁iu, без накачки T11(u, v)=a₂u², где u, v - координаты на метаповерхности, a₁, a₂ - масштабные множители. Подбор осуществлялся с использованием данных о пропускании и сдвиге фаз в зависимости от геометрических параметров наночастиц в решетке (фиг.6). В итоге решетки имеют указанные в таблице коэффициенты пропускания и сдвига фазы без накачки и с накачкой.

Номер решетки Период, нм Внешний диаметр, нм Внутренний диаметр,
нм Пропускание без накачки Пропускание с накачкой Сдвиг фазы без накачки Сдвиг фазы с накачкой 1 381 285 119 0.96 0.99 0.78 0.63 2 513 292 160 0.58 1.03 0.99 0.60 3 467 358 121 0.40 0.48 0.86 0.56 4 465 348 105 0.18 0.29 0.91 0.51 5 457 341 92 0.04 0.13 0.99 0.57 6 465 313 62 0.00 0.01 0.86 1.35 7 478 301 89 0.04 0.00 0.65 0.85 8 506 280 101 0.14 0.00 0.45 1.03 9 525 240 0 0.45 0.50 0.81 4.03 10 436 311 0 0.60 0.79 0.78 3.70 11 433 313 0 0.60 0.84 0.73 3.67

Величины внешних диаметров колец в разных решетках находятся в диапазоне от 250 нм до 400 нм, величины внутренних диаметров в диапазоне от 0 нм до 200 нм, величины периода квадратной решетки от 200 нм до 650 нм. Рабочая длина волны 850 нм, ширина запрещенной зоны 1,42 эВ. Для реализации заявляемого способа исходное излучение импульсного лазера делят на 2 пучка (зонд и накачка), зонд через линзу (фокусное расстояние 125 мм) фокусируется на метаповерхность под нормалью, прошедшее излучение проходит через вторую такую же линзу и уходит на камеру. Накачка фокусируется на структуру с задней стороны под нормалью. Энергия импульса накачки – 1,54 нДж, средняя мощность накачки (при частоте следования 80 МГц) – 0,12 Вт, пиковая мощность накачки (при средней длине импульса 240 фс) – 6,4 кВт и пиковая плотность мощности – 13,23 МВт/см². У каждой решетки пропускание и сдвиг фазы определяются таким образом, чтобы без накачки распределение электрического поля являлось второй производной от входного изображения вдоль горизонтальной оси, при накачке - первой производной. На фиг.7 приведены теоретические зависимости и моделируемые пропускания и сдвига фазы устройства от координаты Ох метаповерхности без накачки и с накачкой. В результате при несовпадении импульсов зонд накачка первый не фиксирует изменения в отклике материала и на камере образуется изображение с фиг. 5 (слева), а при совпадении импульсов зонд и накачка на камере образуется изображение с фиг. 5 (справа).

В результате того, что метаповерхность выполняет оптические вычисления с высокой скоростью переключения, появляется возможность применения заявляемого изобретения в качестве универсальных компактных оптически перестраиваемых структур.

Изобретение относится к области оптике, а именно к устройствам для управления светом путем модификации оптических свойств среды для управления интенсивностью и фазой. Способ модуляции подразумевает использование структуры, состоящей из Ми-резонансных наночастиц прямозонного полупроводникового материала с высоким показателем преломления (n более 3), расположенных в/на прозрачной диэлектрической подложке с низким показателем преломления (n в диапазоне 1.5…1.8). Переключение осуществляется путем настройки задержки между двумя пучками света, один пучок осуществляет изменение оптических свойств структуры, а профиль другого является анализируемым двумерным сигналом. Техническим результатом изобретения является обеспечение амплитудно-фазовой фильтрации светового пучка на высоких частотах, превышающих 100 ГГц, и интеграции сверхбыстро перестраиваемого модулятора в оптические микросхемы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для амплитудно-фазовой Фурье фильтрации оптических сигналов, представляющее собой метаповерхность, выполненную из субволнового двумерного массива нанорезонаторов, представляющих собой периодические решетки Ми-резонансных наночастиц прямозонного полупроводникового материала с высоким показателем преломления n>3, расположенных в/на прозрачной диэлектрической подложке с низким показателем преломления n в диапазоне от 1,5 до 1,8, при этом метаповерхность разделена на отдельные регионы, характеризующиеся различными значениями показателя преломления, который определяется формой, размером наночастиц и периодом их упорядочения в каждом регионе метаповерхности, при этом пространственное распределение показателя преломления метаповерхности в отсутствие или при наличии воздействия оптической накачки соответствует двум определенным функциям Фурье-фильтрации, то есть активная функция Фурье-фильтрации характеризуется возможностью изменения в результате воздействия накачки в форме оптического фемтосекундного импульса с характерной энергией импульса от 1 до 10 нДж.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в качестве материала для нанорезонаторов используют прямозонные полупроводники, а именно GaAs, AlGaAs, InP, InGaAsP.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что нанорезонаторы имеют форму дисков или сфер, или параллелепипедов, или колец и поддерживают электромагнитные резонансы Ми-типа.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что размеры нанорезонаторов составляют от 100 нм до 1500 нм.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что период решетки в регионах метаповерхности находится в диапазоне от 100 нм до 1500 нм.

6. Способ перестраиваемой амплитудно-фазовой Фурье-фильтрации оптического двумерного сигнала «зонд» с использованием устройства, выполненного по п. 1, при помощи внешнего пучка "накачка", в соответствии с которым:

- определяют два независимых фильтра, связывающих входные и выходные сигналы, между которыми необходимо обеспечить перестройку при неодновременном или одновременном поступлении сигналов «зонд» и «накачка»;

- формируют массив данных о зависимости пропускания, отражения, поглощения и сдвига фазы периодических решеток метаповерхности от формы находящихся в них наночастиц в двумерном массиве нанорезонаторов;

- оптимизируют расположение и формы наночастиц метаповерхности, для чего разделяют метаповерхность на регионы с различным показателем преломления, при этом каждый регион представляет собой периодическую решетку из одинаковых наночастиц;

- на оптимизированную таким образом метаповерхность направляют два пучка фемтосекундного оптического импульса, один из которых - «накачка» изменяет оптические свойства метаповерхности в соответствии с эффектами Бурштейна-Мосса, сжатия запрещенной зоны и поглощения свободных носителей, а другой - «зонд» меняется необходимым образом, то есть при отсутствии импульса реализуется первая функция Фурье-фильтрации, а при его воздействии - вторая функция Фурье-фильтрации,

- выполняют настройку отклика метаповерхности на второй пучок, регулируя временную задержку между пучками «накачка-зонд».

7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что изменение показателя пропускания обусловлено зонными эффектами, а именно эффектами Бурштейна-Мосса, сжатия запрещенной зоны и поглощения свободных носителей.

8. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что устройство, выполненное по п. 1, размещают в фокальную перетяжку, состоящую из двух линз для выполнения Фурье фильтрации, при этом фильтрация пучка света осуществляется в Фурье-пространстве 4f оптической схемы так, что излучение, прошедшее через первую линзу, попадает на устройство, выполненное по п. 1, которое выполняет фильтрацию, меняя амплитуду и фазу электрического поля Фурье-образа входного сигнала, а после прохождения через вторую линзу преобразуется обратно в параллельный лучевой пучок.

9. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что для перестройки между двумя функциями пропускания устройства, выполненного по п. 1, в оптической схеме изменяется длина линии задержки, внося отставание между пучками «зонд» и «накачка» не менее времени рекомбинации свободных носителей выбранного материала.