УСТРОЙСТВО И СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ МАГНИТОФОТОННЫХ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ
APPARATUS AND METHOD OF MODULATING POLARIZATION OF LIGHT USING MAGNETOPHOTON META-SURFACES

Область техники
Изобретение относится к оптике, а именно к способам модуляции поляризации света видимого и ближнего ИК диапазонов. Изобретение может быть использовано в прикладной магнитооптике, интегральной оптике, оптоэлектронике, фотонике для создания нового поколения магнитооптических модуляторов, изоляторов и переключателей.
Уровень техники
Развитие магнитооптики привело к созданию различных способов управления оптическим излучением посредством использования плазмонных структур, та ммовских состояний, магнитофотонных кристаллов, резонансных гибридных наноструктур во внешнем магнитном поле. Управление посредством магнитного поля является одним из наиболее эффективных методов для модуляции фазы, интенсивности и поляризации света. По этой причине для широкого класса задач нанофотоники остается актуальным поиск новых материалов, способных эффективно управлять светом посредством внешнего магнитного поля невысокой амплитуды без существенных потерь в оптическом и ближнем ИК диапазонах и быть при этом совместимыми с КМОП (комплиментарными структурами металл-оксид-полупроводник), т.е. легко внедряться в существующие линии производства микроэлектронной промышленности.
Из уровня техники известны устройство и способ поворота плоскости поляризации света (US 7965436). Устройство состоит из немагнитного диэлектрического волновода толщиной порядка 50-400 нм и магнитной оболочки. При прохождении излучения через 2 мкм среды, устройство осуществляет круговой поворот поляризации на 45°. Однако данное устройство обладает большими размерами и, кроме того, способ не может применяться в геометрии на отражение.
Известны также метод и устройство для управления оптическим сигналом, использующие перекачивание оптической энергии в поверхностный плазмон-поляритон (патент US 8879138). В устройстве использована активная среда, оптические свойства которой управляемо контролируются в зависимости от внешнего электрического или магнитного поля. Однако данное устройство обладает большими геометрическими размерами, что не позволяет применять его в качестве элемента интегральной оптики.
Известно также магнитофотонное устройство для формирования, кодировки, генерации, передачи, переключения, распределения, и хранения оптической составляющей сигнала изображения (патент US 9986217). Устройство реализовано на основе магнитофотонных кристаллов и использует эффект поворота поляризации пучка света при прохождении через периодически структурированные слои устройства как реакцию на изменение управляемого магнитного поля. Однако характерное время работы данного устройства составляет наносекунды, что не решает проблему ограниченного быстродействия подобных устройств.
Известен также способ усиления магнитооптического эффекта Фарадея, в эпитаксиальных тонких пленках HgTe при комнатной температуре [Shuvaev, A.M., Astakhov, G.V., Pimenov, A.,, С., Buhmann, H. and Molenkamp, L.W., 2011. Giant magneto-optical Faraday effect in HgTe thin films in the terahertz spectral range. Physical review letters, 106(10), p. 107404.]. Эффект обусловлен сочетанием уникальной зонной структуры и очень высокой подвижности электронов в материале HgTe. Показано, что эпитаксиальные тонкие пленки HgTe могут стать основой оптического изолятора и модулятора в спектральном терагерцовом диапазоне ТГц. Однако данный способ не применим в оптическом спектральном диапазоне, что представляет наибольший практический интерес.
Известен также способ реализации плазмонного аналога электромагнитного поглощения для модуляции поляризации оптического излучения [Floess, D., Hentschel, М., Weiss, Т., Habermeier, H.U., Jiao, J., Tikhodeev, S.G. and Giessen, H., 2017. Plasmonic analog of electromagnetically induced absorption leads to giant thin film Faraday rotation of 14°. Physical Review X, 7(2), р. 021048]. Способ использует гибридную магнитоплазмонную тонкопленочную структуру золотых наностержней, включенных в пленку EuS. Технический результат - фарадеевское вращение более 14 градусов на толщинах материала меньших 200 нм. Однако для достижения данного результата необходимо приложение магнитного поля величиной 5 Т и понижение температуры до 20 К, что делает невозможным практическое применение данной структуры.
Известен также способ модуляции поляризации, основанный на усилении магнитооптических эффектов Фарадея и Керра в двухслойных системах из перфорированных металлических и однородных магнитных диэлектрических пленок [Belotelov, V.I., Doskolovich, L.L. and Zvezdin, A.K., 2007. Extraordinary magneto-optical effects and transmission through metal-dielectric plasmonic systems. Physical review letters, 98(7), р. 077401]. В таких структурах спектр эффекта Фарадея имеет несколько резонансных пиков в ближнем инфракрасном диапазоне, некоторые из которых совпадают с пиками пропускания, обеспечивая одновременное большое фарадеевское вращение (1 градус при толщине структуры 200 нм) и высокий коэффициент пропускания (порядка 35%). Однако данные структуры не пригодны для практического применения, поскольку обладают высоким поглощением из-за высокого содержания металлов.
Известен также способ и устройство (патент US 9864218,) модулирующее оптический сигнал посредством контроля намагниченности материала с помощью электрического сигнала. Устройство реализует оптический модулятор без использования магнитного поля на основе магнитного материала с малым оптическим поглощением. При контроле состояния намагниченности устройство модулирует фазу, амплитуду или поляризацию оптического сигнала. Однако поскольку характерное время для управления электрическими сигналами составляет наносекунды, устройство по патенту US 9864218 не решает проблему ограниченного быстродействия оптических модуляторов, что является необходимым условием для эффективной интеграции в оптические микросхемы.
Наиболее близким к заявляемым решениям являются способ и устройство для модуляции фазы отраженного света на основе эффекта Керра (патент US 4246549). Устройство осуществляет управляемый контроль фазы при отражении сигнала от слоя ферри- или ферромагнитного граната, расположенного на поверхности с коэффициентом отражения выше 95%. В сравнении с известными аналогичными устройствами, усовершенствованием является использование для эффекта Керра слоя из ферромагнитного или ферримагнитного граната, в отличие от использования железного слоя, который обладает высоким поглощением и склонностью к окислению. Однако данная структура обладает большой толщиной, что не позволяет ее применять в компактных устройствах. Также способ и устройство не могут применяться в геометрии на пропускание. Кроме того, устройство не является КМОП-совместимым.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание компактного устройства и способа модуляции поляризации света с помощью магнитофотонных метаповерхностей, устраняющих недостатки перечисленных выше аналогов, и обеспечивающих получение улучшенных характеристик, а именно субволновых размеров, КМОП-совместимости и использовании в геометрии на пропускание.
Техническим результатом изобретения является обеспечение компактных размеров устройства, быстродействия (с частотой, превышающей МГц), КМОП-совместимости и интеграции магнитооптического модулятора в оптические микросхемы, с возможностью применения в компактных интегрированных устройствах за счет управления магнитным полем модуляция поляризации оптического излучения при его пропускании через структуру (магнитофотонную метаповерхность), оптическая толщина которой меньше или порядка длины волны модулируемого излучения (т.е. толщина активной части менее 250 нм).
Для достижения технического результата используется гибридная метаповерхность с резонансами Ми. Резонансы Ми - это вид резонанса в оптическом пропускании света, обусловленный локализацией в наночастице и последующим рассеянием плоской электромагнитной волны. Гибридная метаповерхность состоит из прозрачной подложки, расположенного на ней субволнового двумерного массива Ми-резонансных наночастиц (периодическую структуру частиц с субволновыми размерами) из слабо поглощающего материала (k в диапазоне от 0.00001 до 0.01) с высоким показателем преломления (n в диапазоне от 2 до 5), обладающих магнитной активностью и/или помещенных в магнитное окружение. Способ характеризуется тем, что магнитофотонная метаповерхность освещается линейно поляризованным излучением под нормалью, видимого или ближнего ИК диапазонов при приложении магнитного поля к структуре в геометрии магнитооптического эффекта Фарадея.
В качестве элементов двумерного массива могут быть использованы (включая, но не ограничивая) полупроводниковые наночастицы с ферромагнитным окружением (с величиной вектора гирации |g| в диапазоне от 0 до 5) толщиной 2-5% от характерного размера частиц, полупроводниковые наночастицы с диэлектрическим магнитным окружением (|g| в диапазоне от 0 до 5), частицы из прозрачного магнитного диэлектрика. Могут быть использованы частицы, имеющие форму (включая, но не ограничивая) дисков, сфер, цилиндров и параллелепипедов, а также кластеров таких частиц или частиц с отверстиями. Под характерным размером наночастицы понимается высота в случае параллелепипеда, диска или цилиндра, радиус - в случае сферы или полусферы. В качестве подложки может быть использован прозрачный (в том числе магнитный) диэлектрик. Для получения максимальной модуляции света величина прикладываемого внешнего магнитного поля соответствует полю насыщения намагниченности ферромагнитного слоя. Внешнее поле сонаправлено с волновым вектором падающего излучения. Излучение падает под нормалью к поверхности образца. Рабочая температура - комнатная.
Малый размер метаповерхности и использование полупроводниковых материалов, в частности кремния, позволяет делать устройство КМОП-совместимым. Изобретение характеризуется сочетанием КМОП-совместимых диэлектрических и/или полупроводниковых структур с малым поглощением и магнитных сред, обладающих оптической активностью. Возможность управлять светом на наномасштабах с помощью таких систем обусловлена сильной локализацией в них электромагнитного поля за счет возбуждения резонансов Ми. Управление откликом подобных объектов посредством приложения внешнего магнитного поля в отличие от управления электрическим полем более выгодно, поскольку исключаются потери на нагрев, вызванные электрическими токами; также управление оптическими сигналами посредством магнитного поля на порядки быстрее в сравнении с контролем посредством электрических сигналов. Основным преимуществом заявляемой структуры является отсутствие существенного поглощения как, например, в плазмонных образцах. Данные преимущества гибридных материалов позволили разработать способ модуляции поляризации прошедшего и отраженного оптического излучения с помощью структуры с размерами меньшими, чем длина волны используемого излучения.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематичное изображение гибридной металл-диэлектрической метаповерхности: двумерный массив наночастиц (2), расположенный на прозрачной подложке (1) и покрытый слоем магнитного материала (3).
Фиг. 2 показывает возможную вариацию метаповерхности - наночастицы - сферы, периодичность - гексагональная: двумерный массив наночастиц (2) в форме сфер, покрытых магнитным материалом (3) на прозрачной подложке (1).
Фиг. 3 показывает возможную вариацию метаповерхности - наносферы двумерной периодичности погружены в слой магнитного материала: массив наночастиц (2) внутри магнитного материала - диэлектрика (3) на прозрачной подложке (1).
Фиг. 4 показывает возможную вариацию метаповерхности - наночастицы - параллелепипеды на слое магнитного материала: (1) - подложка, (2) - двумерный массив наночастиц в форме нанопараллелепипедов, (3) - слой магнитного материала.
Фиг. 5 показывает возможную вариацию метаповерхности - наночастицы погружены в подложке из магнитного материала: (2) - двумерный массив резонансных наночастиц, (4) - подложка из магнитного материала.
Фиг. 6 демонстрирует принципиальную оптическую схему способа модуляции поляризации электромагнитного излучения, где (5) - источник оптического излучения, (6) - луч оптического излучения, (7) - поляризатор, (8) - магнитофотонная метаповерхность, (9) - анализатор, (10) - детектор оптического излучения.
На фиг. 7 представлен график, демонстрирующий спектр пропускания (кривая 1), а также спектр магнитооптического эффекта Фарадея (кривая 2) для одной из возможных реализаций магнитофотонной метаповерхности с наночастицами в форме дисков, покрытыми слоем ферромагнитного материала.
Осуществление изобретения
Для реализации модуляции поляризации электромагнитного излучения с использованием магнитооптических эффектов и возбуждения резонансов Ми-типа в гибридной магнитофотонной метаповерхности необходима структура, состоящая из прозрачной диэлектрической (в том числе магнитной) подложки и расположенного на ней субволнового двумерного массива Ми-резонансных наноструктур из слабо поглощающего материала (k в диапазоне 0.00001...0.01) с высоким показателем преломления (n в диапазоне 2...5), обладающих магнитной активностью и/или помещенных в магнитное окружение (|g| в диапазоне 0...5); магнитофотонная метаповерхность освещается линейно поляризованным излучением с длиной волны от 400 нм до 1500 нм при приложении насыщающего внешнего магнитного поля, например, при помощи катушек Гельмгольца или постоянного магнита (|Н| в диапазоне 0.01...0.5 Тл). Внешнее магнитное поле сонаправлено с волновым вектором падающего излучения. Падающее излучение направлено по нормали к поверхности образца. Указанные параметры магнитофотонной метаповерхности и оптической схемы являются необходимыми и достаточными для получения заявляемого технического результата. Данные наноструктуры позволяют эффективно локализовать оптические электромагнитные поля внутри гибридных наночастиц в спектральном диапазоне возбуждения резонансов Ми-типа.
Метаповерхность из наночастиц, изготовленных из слабо поглощающего материала (k в диапазоне 0.00001...0.01) с высоким показателем преломления (n в диапазоне 2...5), обладающих оптически-индуцированными резонансами Ми-типа в видимом диапазоне, за счет локализации внутри структуры электромагнитных полей способна многократно усиливать электрические и магнитные поля и, как следствие, магнитооптический отклик данной структуры. Длина волны резонансного возбуждения структуры определяется размерами наночастиц, их показателем преломления и периодом структуры. Возбуждение резонанса Ми-типа внутри гибридной компоненты структуры приводит к появлению минимума в спектре пропускания и к усилению магнитооптических эффектов в узком спектральном диапазоне. Магнитооптический эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации прошедшего через структуру света.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. Структура представляет собой массив нанодисков из аморфного гидрогенизированного кремния, диаметром d=475 нм, высотой h=220 нм, с периодом а=675 нм. Диэлектрическая матрица может быть получена по известной из уровня техники технологии. Структура покрыта слоем никеля толщиной 5-нм, нанесенного методом магнетронного распыления. Для реализации заявляемого способа модуляции света исходное излучение, длина волны которого составляет 400-1500 нм, направляют по нормали к магнитофотонной метаповерхности, помещенной в насыщающее магнитное поле, сонаправленное с волновым вектором падающего излучения. Величина внешнего насыщающего магнитного поля составляет 0.1 Тл. Величина поляризационного эффекта определяется как θ (град)=acrtg(E_x/E_y)*180/pi, где Е_х и Е_у - х и у компоненты электрического поля падающей волны. На фиг. 7 представлен спектр пропускания (кривая 1) магнитофотонной метаповерхности и спектр магнитооптического эффекта Фарадея (кривая 2). Провал в спектре пропускания на длине волны 1260 нм соответствует возбуждению магнитного дипольного резонанса Ми-типа в полупроводниковом диске. При возбуждении резонансов Ми-типа магнитофотонной метаповерхности происходит длительное взаимодействие падающего излучения со средой, что приводит к увеличению магнитооптического отклика. Из графика видно, на длине волны 1260 нм, соответствующей возбуждению мд резонанса Ми-типа происходит усиление магнитооптического эффекта Фарадея. Приложение внешнего магнитного поля к магнитофотонной метаповерхности позволяет изменить поляризацию прошедшего излучения. Величина θ составляет не менее 2.5 градусов на 5 нм толщины ферромагнитного слоя структуры (фиг. 7).
В результате того, что с помощью магнитофотонной метаповерхности удается модулировать поляризацию оптического излучения, появляется возможность применения заявляемого изобретения в качестве универсальных компактных магнитооптических материалов, управляемых внешним магнитным полем.
Таким образом, предлагаются устройство и способ модуляции поляризации прошедшего или отраженного электромагнитного излучения с помощью структуры с размерами меньше, чем длина волны используемого излучения. Данный способ заключается в том, что магнитофотонная метаповерхность освещается оптическим излучением при наличии внешнего магнитного поля. Модулирование поляризации прошедшего света осуществляется изменением длины волны падающего излучения.
Заявляемый способ позволяет модулировать поляризацию электромагнитного излучения в двух геометриях при помощи магнитофотонной метаповерхности, активная часть которой имеет размеры меньше, чем длина волны используемого излучения.