НАНОРЕЗОНАТОР
NANO-RESONATOR

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники и волоконной оптики, а именно для накачки волоконных усилителей сигналов, используемых, например, в широкополосных волоконно-оптических системах связи (ВОСС) вместо электронных ретрансляторов, в области телекоммуникаций, где оптические транзисторы могут служить для создания буферных элементов, способных хранить несколько секунд информацию прямо в оптическом виде, в области квантовых вычислений.
_
Известен микрорезонатор в форме тороида, выполненного из кварца. Микрорезонатор укреплен на острие кремниевой пирамиды, которая является частью электрической схемы полупроводникового кристалла. При падении пучка концентрированного светового излучения на поверхность микрорезонатора фотоны, попадая в ловушку, оказывают давление на поверхность резонатора. Это давление заставляет резонатор колебаться с частотой, в десятки тысяч раз превышающей диапазон звуковых частот. По этой причине при попадании на поверхность резонатора одновременно излучения от двух лазеров более мощный луч выступает в роли элемента управления частотой и амплитудой колебаний резонатора. Благодаря эффекту, названному оптомеханически управляемой прозрачностью (OMIT, optomechanically-induced transparency), луч второго, более слабого лазера отражается больше или меньше в зависимости от силы колебаний резонатора, что соответствует работе транзистора (URL: http://technoreason.ucoz.ru/publ/novosti_nauki_itekhniki/sozdan_pervyj_polnostju_opticheskij_tranzistor/88-1-0-3925 или http://www.dailytechinfo.org/ дата обращения 24.04.2012 г.).
Недостатками микрорезонатора являются следующие обстоятельства:
- низкая локализация энергии отраженного лазерного луча;
- работа микрорезонатора критична к его пространственной ориентации;
- ограниченность частотного диапазона колебаний резонатора, обусловленная геометрией и характеристиками материала резонатора;
- возможность наводки помех, обусловленных засветкой резонатора паразитными источниками излучения.
Известен оптический транзистор, в котором используется эффект Фарадея, являющийся магнитооптическим эффектом, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. В случае исполнения оптически неактивных веществ в форме тонких пластин, имеющих высокую точность исполнения толщины, из полупроводника высокой степени очистки, а также в случае чрезвычайно точного подбора длины волны светового излучения, появляется возможность изменения поляризации света практически на любой угол. Угол поворота зависит от величины и направления внешнего магнитного поля, если на выходе проблеск света загородить фильтром, пропускающим лишь свет определенной поляризации (URL: http://news.batno.info/science/news_2011-04-06-11-45-03-258.html,статья в журнале Physical Review Letters профессоров Венском технологическом университете, Андрей Пименов и Алексей Шуваев).
Недостатками данного устройства являются следующие обстоятельства:
- низкая локализация энергии линейно поляризованного света;
- необходимость формирования внешнего магнитного поля, воздействующего на оптически неактивное вещество;
- наличие поляризационного фильтра для модификации оптического излучения, снижающего его добротность;
- ограниченность частотного диапазона работы известного способа модификации оптического излучения, обусловленная частотными характеристиками внешнего источника магнитного поля;
- возможность наводки помех, обусловленных паразитными электромагнитными полями.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является резонансная камера на основе пересечения двух гребенчатых фотонно-кристаллических волноводов, образующих в месте пересечения резонансную камеру, при этом фотонно-кристаллические зеркала, в виде отверстий, в каждом волноводе выполнены различного диаметра и отстоят друг от друга на разном расстоянии, позволяющим осуществлять гибкую настройку частот, соответствующим двум ортогональным резонансным модам. Коэффициент пространственного перекрытия ортогональных резонансных мод, характеризующий степень их нелинейного оптического взаимодействия, определяется из решения уравнения Максвелла для области, соответствующей геометрическим размерам пересечения и характеристикам материала гребенчатых фотонно-кристаллических волноводов, таких как индекс рефракции. При этом рассчитывается степень локализации света в резонансной камере, которая характеризуется модовым объемом [Rivori, K. Multiply resonant photonic crystal nanocavities for nonlinear frequency conversion / K. Rivori, S. Buckley, J. Vuckovic // Opt. Express. - 2011. - Vol.19, №22. - P.22198-22207].
Недостатками данного устройства являются следующие обстоятельства:
- низкая локализация энергии резонансных мод (относительно большой модовый объем);
- низкий коэффициент пространственного перекрытия ортогональных резонансных мод;
- невозможность использования в резонансной камере оптически активных материалов.
В основу изобретения поставлена задача устранение вышеперечисленных недостатков, а также повышение добротности резонатора с малым модовым объемом.
Поставленная задача достигается тем, что в нанорезонаторе, состоящем из двух гребенчатых пересекающихся фотонно-кристаллических волноводов, в месте пересечения, образующих резонансную камеру, при этом фотонно-кристаллические зеркала, в виде отверстий, в каждом волноводе выполнены различного диаметра и отстоят друг от друга на разном расстоянии, согласно изобретению в зоне резонансной камеры выполнены щели, при этом длина щели больше ее ширины не менее чем в 2 раза.
Щели расположены на равном расстоянии от центра пересечения диагоналей резонансной камеры,
Кроме того, щели могут быть расположены внутри волновода.
Щели выполнены сквозными.
Щели могут быть заполнены нелинейным оптическим материалом, например халькогенидным стеклом.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображена схема нанорезонатора.
Нанорезонатор состоит из двух гребенчатых фотонно-кристаллических волноводов 1, в месте пересечения образующих резонансную камеру 2. В зоне резонансной камеры 2 на равном расстоянии от центра пересечения диагоналей резонансной камеры выполнены щели 3. Каждый из пересекающихся фотонно-кристаллических волноводов 1 содержит фотонно-кристаллические зеркала в виде отверстий 4 различного диаметра, и расположены на разном расстоянии друг от друга.
Значения диаметра, расстояния между осями и количество отверстий 4, выполненных в фотонно-кристаллических волноводах 1, оптимизируются для получения необходимых показателей: добротности, коэффициента пространственного перекрытия ортогональных резонансных мод, величины медового объема.
На фиг.2 показаны распределения |E| на линии, которая проходит через центр резонатора и повернута на 45° к оси волновода для нескольких значений ширины щели. Максимум амплитуды поля достигается при малой ширине щели.
На фиг.3 изображает зависимости добротности резонатора и модового объема от ширины щели.
На фиг.4 показано распределение модуля электрического поля |E| в плоскости, которая проходит через центр резонатора и повернута на 45° к оси волновода для щелей, проходящих через всю высоту волновода - 240 нм.
На фиг.5 изображено распределение |E| для щелей высотой 180 нм.
Для сквозных щелей фиг.4 коэффициент γ равен 0,12, добротность составляет 7800, модовый объем 0,32. Для закрытых щелей эти величины составляют 0,14; 7900 и 0,29 соответственно.
На фиг.6 показано сечение, аналогичное сечениям на фиг.4 для сквозных щелей, которые заполнены материалом с индексом рефракции 2,5. Модовый объем по сравнению фиг.4 заметно увеличился. Добротность, согласно расчетам, также несколько возросла.
На фиг.7 изображены зависимости добротности резонатора и модового объема от индекса рефракции материала, заполняющего щели в резонаторе
Фиг.6 и фиг.7 иллюстрируют результаты расчета при заполнении щелей в резонаторе каким-либо материалом, например оптически нелинейным. В качестве такого материала может быть использовано халькогенидное (chalcogenide) стекло (ХС). Стекла этого семейства имеют индекс рефракции в диапазоне 2,3-2,8 для длины волны 1,5 мкм. ХС демонстрируют коэффициент нелинейности на 3 порядка выше, чем у кремния, низкий уровень двухфотонного поглощения и высокое время отклика (<100 фемтосекунд).
Выполнение щелей в области резонансной камеры дает возможность усилить электрическое поле в щели нанорезонатора на величину , где  - индекс рефракции волновода,  - индекс рефракции материала, который заполняет щель.
m
Изменение ширины щелей влияет на добротность резонатора, коэффициент перекрытия мод и величину модового объема. Модовый объем V определяется в соответствии со следующей формулой
max
max
где ε и n означают значения соответствующих величин в точке максимального значения интенсивности поля.
Высота щелей в резонаторе может быть уменьшена так, чтобы они находились внутри волновода. Изготовление такой структуры потребует дополнительных усилий. Тем не менее, такие щели позволяют увеличить добротность резонатора и уменьшить модовый объем.
Нанорезонатор, описываемый данным изобретением, может быть рассчитан для различных диапазонов длин волн. Например, для диапазона волн, используемых в телекоммуникации (1.30-1.65 мкм). Также это может быть оптический диапазон длин волн (0.39-0.75 мкм). Простая геометрия данных нанорезонаторов позволяет изготавливать их стандартными средствами нанолитографии.