ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМОННЫХ ИМПУЛЬСОВ ТЕРАГЕРЦОВОЙ ЧАСТОТЫ
PLASMON PULSE GENERATOR OF TERAHERTZ FREQUENCIES

Изобретение относится к радиотехнике, нанооптике и наноплазмонике и может быть использовано для целей генерации импульсов терагерцовой частоты.
Развитие нанооптики в последнее время направлено на создание новых плазмонных устройств наноразмерных масштабов. Основным препятствием к практической реализации плазмоники являются высокие потери в металлических пленках. Одним из решений этой проблемы является использование активных сред для усиления плазмонов. При достаточно большой интенсивности накачки усиление может перейти в безызлучательную генерацию когерентных плазмонов с получением нового функционального элемента квантовой плазмоники - плазмонного нанолазера, названного спазером. Структура спазера описана в ряде публикаций и патентов Бергмана и Стокмана (см., например, David J. Bergman and Mark I. Stockman, Phys. Rev. Lett. 90, 027402 (2003); US 8017406 (B2) Method for surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation (SPASER), Bergman, Stockman, 13.09.2011).
Одним из возможных приложений квантовой плазмоники является создание оптического компьютера. Отдельные его элементы были реализованы в рамках фотоники [см., Vlasov, Y.A., O'Boyle, M., Hamann, Н.F., McNab, S.J. Nature, 438, 65-69, (2005); Vlasov, Y.A. Communications Magazine, IEEE, 50, s67-s72, (2012)]. Однако размер этих элементов (порядка нескольких микрометров) слишком велик для построения компьютера на их основе. Возможным решением этой проблемы может быть использование не фотонов, а плазмонов для передачи информации, что потребует создания новой элементной базы: плазмонных линий передачи информации, транзисторов, переключателей и т.п. [Klimov, V.: Nanoplasmonics; Pan Stanford Publishing, 2013]. В первую очередь, это относится к генерации плазмонных импульсов тактовой частоты в терагерцовом диапазоне для плазмонных схем [см., Dorofeenko, А.V., Zyablovsky, A.A., Vinogradov, A.P., Andrianov, Е.S., Pukhov, A.A., Lisyansky, А.А. Optics Express, 21, 14539-14547, (2013)].
Так, в патенте (US 8017406 (В2), Bergman, Stockman, 13.09.2011) описана наноструктура, используемая для генерации нанолокализованных оптических полей. Поле возбуждается за счет генерации поверхностного плазмона вынужденным излучением (спазер). Спазер является генератором поверхностных плазмонов, которые, в отличие от фотонов, могут быть локализованы в наноразмерной области. Спазер включает в себя активную среду, образованную системой квантовых излучателей, возбуждаемых оптической, электрической или химической накачкой. Активная среда может представлять собой квантовые точки, которые передают энергию возбуждения путем безызлучательных переходов резонансной плазмонной наносистеме. Последняя играет роль резонатора в обычном лазере. Передача энергии возбуждения индуцируется поверхностными плазмонами наноструктуры, вызывая накопление поверхностных плазмонов в одной моде. Данное устройство работает в непрерывном режиме.
Известен также патент (US 8290010, Ono, 16.10.2012), в котором предлагается генератор поверхностных плазмонов, включающий в себя полупроводниковый активный слой в виде р-n перехода и расположенное вблизи него металлическое тело. Данное устройство работает в непрерывном режиме.
В патенте (US 8081850 Beausoleil, et al., 20.12.2011) описано устройство с перестраиваемым плазмонным резонансом. Устройство включает в себя резонатор с плазмонной модой, взаимодействующей с усиливающей средой, а также слой с памятью, обеспечивающий управление режимом генерации. Это осуществляется подачей электрического сигнала на слой с памятью. Устройство позволяет создать модуляцию излучения спазера лишь с использованием переменного внешнего электрического сигнала. Возможности модуляции электрического сигнала, в свою очередь, ограничены по частоте.
В патенте (US 8633729, Brown, 21.01.2014) описана вычислительная структура, включающая логический вентиль, выполненный на основе системы наночастиц, вдоль которых распространяется плазмон-поляритон. Логический элемент определяет сигнал на выходе системы. Логическое устройство выполнено на основе системы плазмонных наночастиц с усилением, однако не предусматривается переход через порог генерации.
В патенте (US 8780439, Bora et al., 15.07.2014) описаны системы плазмонных резонаторов в вертикальных массивах нанопроводов. Система допускает подстройку резонансов путем выбора параметров системы. Условие резонанса соответствует наличию нечетного числа четвертьволн на длине волновода. Плазмонный резонанс, реализованный в системе двух близкорасположенных нанопроволок, допускает получение фактора локализации плазмона более 1000. Среди возможных применений системы предлагается использовать ее для изготовления плазмонных лазеров.
В патенте US 8509276, Zhang et al., 13.08.2013 описаны гибридные плазмонные волноводы, отделенные наноразмерным промежутком от полупроводниковой наноструктуры, используемой в качестве усиливающей среды. Волноводы способны генерировать оптическое поле высокой интенсивности в субволновых областях. Предполагается, что такая структура потенциально способна обеспечить полосу модуляции более 1 ТГц, однако и в этом изобретении не указывается на возможность генерации плазмонных импульсов с терагерцовой частотой, полезных для устройств нанооптики и наноплазмоники.
Изобретение направлено на решение новой технической задачи - генерации оптических плазмонных импульсов с терагерцовой частотой с последующей возможностью интеграции в перспективные плазмонные схемы, что и является техническим результатом изобретения.
Изобретение позволит создать один из элементов плазмонных схем - генератор тактовой частоты порядка 1 ТГц, что значительно превосходит частоты работы современных компьютеров. В отличие от известных ранее технических решений не требуется подвода внешнего сигнала: генерация импульсов является свойством самого устройства.
Технический результат достигается тем, что генератор плазмонных импульсов терагерцовой частоты включает спазер в режиме пассивной модуляции добротности на основе активной среды, помещенной в резонансную структуру, образованную в тонкой пленке металла, размещенной на подложке; средства накачки активной среды; средства вывода генерируемых плазмонных импульсов. Резонансная структура представляет собой канал со скругленным дном, в котором размещена активная среда в виде квантовых точек. Средство накачки активной среды выполнено в виде источника ультрафиолетового излучения, при этом одна часть квантовых точек открыта к излучению указанного источника, а другая часть экранирована.
Канал резонансной структуры генератора может быть выполнен прямолинейным с длиной 500-1000 нм, а резонансная структура образована брэгговскими зеркалами, помещенными на концах канала, при этом вывод генерируемых плазмонных импульсов осуществляется через одно из указанных зеркал.
Канал резонансной структуры генератора может иметь форму кольца с длиной окружности по дну канавки 500-1000 нм и выполнен с возможностью вывода генерируемых плазмонных импульсов через образующую указанного кольцевого канала за счет эффекта туннелирования.
Толщина пленки металла генератора составляет 100-1000 нм, в качестве металла использованы золото, серебро или их сплавы, а в качестве подложки - вещества, выбранные из группы, включающей кремний, диоксид кремния, оксид алюминия, нитрид алюминия, двуокись титана, двуокись циркония. Канавка со скругленным дном может иметь глубину 100-300 нм, а радиус скругления дна канавки - 20-50 нм. Число квантовых точек активной среды - не менее 30 штук на 1 мкм длины канала.
Квантовые точки активной среды могут представлять собой нанокристаллы полупроводника, например соединения группы А2В6, преимущественно селенида кадмия или селенида цинка, или группы А3В5, преимущественно нитрида галлия или фосфида индия, размером 1-20 нм, покрытые защитной оболочкой из диэлектрика, преимущественно двуокиси кремния или двуокиси титана, толщиной 2-20 нм.
Средство накачки активной среды может быть выполнено в виде источника ультрафиолетового излучения с длиной волны в диапазоне 280-320 нм, при этом отношение числа облучаемых квантовых точек к числу экранированных квантовых точек составляет от 0,6 до 0,9.
Существо изобретения поясняется на чертежах 1-10, где на:
фиг. 1 представлена схема генератора с кольцевой плазмонной наноструктурой, вид в сечении;
фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, вид в плане;
фиг. 3, 4 - укрупнено, кольцевая резонансная структура, вид в сечении и в плане, соответственно;
фиг. 5 - схема генератора с линейной плазмонной наноструктурой, вид в плане;
фиг. 6 - укрупнено, линейная резонансная структура, вид в разрезе и изометрии;
фиг. 7 - схема к пояснению принципа функционирования генератора;
max
min
фиг. 8 - сплошные линии и левая шкала: амплитуда генерации (максимальное значение амплитуды электрического поля в резонаторе) в зависимости от накачки; штриховая линия и правая шкала: частота импульсов, генерируемых в режиме пассивной модуляции добротности. Затемненная область соответствует режиму генерации импульсов. I и I - максимальное и минимальное по времени значения амплитуды поля в режиме генерации импульсов;
фиг. 9 - распределение амплитуды электрического поля в резонаторе (координата х направлена вдоль оси резонатора) в зависимости от времени в режиме пассивной модуляции добротности;
фиг. 10 - зависимость инверсии населенностей усиливающих и поглощающих квантовых точек от времени.
В качестве примеров реализации изобретения описаны два варианта выполнения спазера с кольцевой и линейной структурой.
На фиг. 1, 2 представлена схема генератора с кольцевой резонансной структурой.
На подложке 10 размещен спазер, который выполнен на основе активной среды 291 (фиг. 3), помещенной в резонансную структуру 22, образованную в пленке 30 металла, и содержит средство 40 накачки активной среды - источник ультрафиолетового излучения и средство 50 вывода генерируемых плазмонных импульсов (см. фиг. 1, 2). Резонансная структура 22 представляет собой канал 24 (его поперечный разрез обозначен поз. 26 на фиг. 3) со скругленным дном 28, в котором размещена активная среда в виде квантовых точек. Одну часть 291 квантовых точек (см. фиг. 3, 4) облучают излучением, обеспечивающим инверсию населенностей, превышающую порог генерации плазмонов, а другую часть 292 квантовых точек экранируют от указанного излучения посредством, например, пленки 20 непрозрачного для ультрафиолетового излучения материала (фиг. 1, 2). Квантовые точки 292 могут отличаться от квантовых точек 291 или быть идентичными. Отношение числа облучаемых квантовых точек 291 к числу экранированных квантовых точек 292 составляет от 0,6 до 0,9.
Вывод генерируемых плазмонных импульсов через образующую кольцевого канала 24 осуществляется через средство 50 вывода импульсов, например, расположенный рядом линейный канал за счет эффекта туннелирования [D.K. Gramotnev, S.I. Bozhevolnyi. Plasmonics beyond the diffraction limit. Nature Photonics 4, 83-91 (2010)]. Этот канал, такой же, как и канал самого генератора, позволяет интегрировать генератор плазмонных импульсов в плазмонную схему, поскольку является ее компонентом. Канал 24 резонансной структуры 22 имеет форму кольца с длиной окружности 500-1000 нм по дну 28 канавки. Толщина пленки 30 металла составляет 100-1000 нм, в качестве металла могут быть использованы золото, серебро или их сплавы, а в качестве подложки 10 - вещества, выбранные из группы, включающей кремний, диоксид кремния, оксид алюминия, нитрид алюминия, двуокись титана, двуокись циркония или иное подходящее вещество из средств, используемых в микроэлектронике. Канавка 26 (фиг. 3) со скругленным дном 28 имеет глубину 100-300 нм, а радиус скругления дна 28 составляет 20-50 нм.
Число квантовых точек 291, 292 составляет от 30 до 300 штук на 1 мкм длины канала 24. Квантовые точки 291, 292 представляют собой нанокристаллы полупроводника размером 1-20 нм, покрытые защитной оболочкой из диэлектрика толщиной 2-20 нм. Нанокристаллы могут быть выполнены из полупроводникового соединения группы А2В6, преимущественно селенида кадмия или селенида цинка, или группы А3В5, преимущественно нитрида галлия или фосфида индия, покрыты слоем диэлектрика, преимущественно двуокиси кремния или двуокиси титана или иного подходящего вещества из средств, используемых в микроэлектронике. Средство 40 накачки активной среды - квантовых точек 291 выполнено в виде источника ультрафиолетового излучения с длиной волны в диапазоне 280-320 нм, с тем чтобы обеспечить накачку активной среды. Переизлучение энергии происходит уже на частотах видимого излучения.
Вариант выполнения генератора на основе спазера с прямолинейной резонансной структурой показан на фиг. 5, а укрупненно резонанская структура - на фиг. 6. В тонкой пленке 30 металла, нанесенной на подложку 101, выполнен прямолинейный канал длиной 500-1000 нм, а резонансная структура образована брэгговскими зеркалами 631, 632, при этом вывод генерируемых плазмонных импульсов 53 осуществляется через одно из указанных зеркал 63.
Как и в случае, описанном для варианта с кольцевым каналом, резонансная структура 62 представляет собой канал 64 в форме канавки 66 (фиг. 6) со скругленным дном 68, в которой размещена активная среда в виде квантовых точек. Одну часть 391 квантовых точек накачивают средством 42 облучения УФ излучением, а другую часть 392 квантовых точек экранируют от указанного излучения посредством, например, пленки 43 непрозрачного для ультрафиолетового излучения материала. Отношение числа облучаемых квантовых точек 391 к числу экранированных квантовых точек 392 составляет от 0,6 до 0,9. Поз. 65 условно показаны силовые линии электрического поля плазмона в канале.
min
max
Генератор плазмонных импульсов терагерцовой частоты на основе спазера в режиме пассивной модуляции добротности посредством описанных структур осуществляют следующим образом (см. фиг. 7). Энергию, получаемую от средства 40, 42 накачки активной среды - источника ультрафиолетового излучения, - квантовые точки переизлучают в видимом диапазоне в плазмон, распространяющийся вдоль дна канавки. Поле плазмона, находящегося в резонаторе, в свою очередь, приводит к индуцированному излучению энергии квантовыми точками, что обеспечивает обратную связь (лазерный эффект). Наличие насыщаемого поглотителя приводит к появлению нестационарного режима - генерации импульсов. Переход от стационарной генерации к нестационарной имеет пороговый характер по интенсивности накачки (нестационарный режим соответствует заштрихованной области на фиг. 8, где показаны минимальное, I, и максимальное, I, значения амплитуды генерации I в режиме генерации импульсов). Заметим, что частота колебаний (штриховая линия на фиг. 8) довольно слабо зависит от уровня накачки, что является полезным свойством.
Возможность генерации импульсов в изобретении подтверждается численным моделированием, результаты которого изображены на фиг. 9, 10. В частности, результат расчета распределения поля в резонаторе в зависимости от времени показывает возможность однородных по всему резонатору осцилляций поля (фиг. 9) с частотой порядка 1 ТГц (штриховая линия на фиг. 8).
Таким образом, представленные материалы подтверждают достижение технического результата - возможность генерации оптических плазмонных импульсов с терагерцовой частотой модуляции, что может быть полезно использовано в различных приложениях в нанооптике и наноплазмонике.