УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
THE DEVICE FOR THE SECOND HARMONIC GENERATION OF THE OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения.
x
1-x
4
3
3
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка WO 9950709, МПК H01S - 003/16, опубл. 07.10.1999), содержащее двулучепреломляющий нелинейный кристалл GdYCaO(BO), где 0,01<=х<=0,35.
Недостатком известного устройства является малая нелинейная восприимчивость использованного в устройстве кристалла, что снижает эффективность генерации второй гармоники.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. авт. св. RU 784550, МПК G02F 1/37, опубл. 20.05.2000), состоящее из волноводного слоя, нанесенного на подложку и гребенчатого электрода, нанесенного на волноводный слой. Подложка выполнена из полупроводникового материала, а период структуры гребенчатого электрода выбран равным
где λ - длина волны излучения накачки, нм;
и  - эффективные показатели преломления волноводных мод основой частоты и второй гармоники соответственно;
1
2
k и k - модули волновых векторов на основной частоте и второй гармонике.
Известное устройство обеспечивает достижение так называемого квазисинхронизма, достигаемого за счет поворота вектора поляризации в противоположном направлении по достижении длины синхронизма. Это позволяет использовать для нелинейного преобразования одноосные нелинейные кристаллы с высоким значением квадратичной нелинейной восприимчивости. Недостатком известного устройства является снижение эффективности преобразования по сравнению с истинным синхронизмом.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка JPH 06347848, МПК G02F - 001/37, H01S - 005/00, опубл. 22.12.1994), содержащее нелинейный кристалл с наведенной периодической поляризацией. В известном устройстве доменная структура направления поляризации уже закреплена при изготовлении кристалла, что существенно упрощает устройство в использовании.
Недостатком известного устройства является применение в устройстве квази-синхронизма, снижающего эффективность нелинейного преобразования.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка WO 2009075363, МПК G02F - 001/35, G02F - 001/35, G02F - 001/37, G02F - 001/37, опубл. 18.06.2009), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип содержит активный элемент из нитрида алюминия AlN, имеющего структуру с периодически меняющимся на противоположное направлением поляризации кристалла.
Устройство может осуществлять удвоение или утроение частоты оптического излучения за счет квази-синхронизма. Недостатком известного устройства является применение в нем квази-синхронизма для согласования фаз, что снижает эффективность генерации второй гармоники.
Задачей изобретения является разработка такого устройства для генерации второй гармоники оптического излучения, которое повышало бы эффективность генерации второй гармоники оптического излучения, обладая свойствами волноведущей структуры и обеспечивая истинный синхронизм для согласования фаз.
x
1-x
Поставленная задача решается тем, что устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия, активный элемент расположен между обкладками из твердого раствора AlGaN, где 0,15≤x≤1, и выполнен из одной или нескольких пар чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-1400 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
x
1-x
Новым в устройстве является расположение активного элемента между обкладками из твердого раствора AlGaN, где 0,15≤х≤1, и выполнение активного элемента в виде по меньшей мере одной пары чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-1400 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
x
1-x
Настоящее устройство представляет собой планарный волновод твердотельными обкладками и метаматериалом в качестве волноведущего слоя и активного элемента для генерации второй гармоники. Действующий показатель преломления волноведущего слоя оказывается зависящим от направления распространения излучения по структуре и изменяющимся в пределах от 1,8 до 2,90. В качестве волноводных обкладок для активной области используются слои твердого раствора AlGaN, где 0,15≤x≤1. Диапазон мольных долей состава волноводных обкладок определяется тем, что показатель преломления обкладок должен быть ниже 2,1 для достижения синхронизма при нелинейном преобразовании света в данном волноводном элементе. Данное условие выполняется при мольной доле алюминия не ниже 0,15. При увеличении мольной доли алюминия вплоть до 1 происходит плавное уменьшение показателя преломления обкладок вплоть до значений 1,7-1,8. Новым в устройстве является учет волноводной дисперсии и дисперсии показателя преломления материала обкладок с целью обеспечить истинный синхронизм для согласования фаз при распространении вдоль волновода излучения накачки и второй гармоники. При этом длина когерентности может достигать нескольких сантиметров.
12
-2
14
-2
В устройстве материал с металлической проводимостью может быть выполнен из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1⋅10 см до 1⋅10 см или из металла.
2
3
2
3
Настоящее устройство может быть выращено на подложке, например, из Si, или GaAs, или AlN, или InP, или AlGaN, или AlO, или β-GaO. После чего подложка может быть удалена.
Настоящее устройство поясняется чертежами, где
на фиг. 1 схематически показано в разрезе настоящее устройство;
на фиг. 2 приведена зависимость длины когерентности от толщины а диэлектрического слоя мета материала;
на фиг. 3 приведена зависимость длины когерентности от толщины h волновода;
на фиг. 4 приведена зависимость длины когерентности от длины волны λ основной гармоники.
12
-2
14
-2
12
-2
14
-2
1
2
x
1-x
Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (фиг. 1) содержит активный элемент на основе нитрида алюминия в виде одной или нескольких пар чередующихся слоев - слоя 1, состоящего из нитрида алюминия собственной проводимости толщиной от 100 до 1400 нм, и слоя 2, обладающего металлической проводимостью и состоящего из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1⋅10 см до 1⋅10 см или из металла толщиной 1-5 нм. Устройство в своей основе представляет собой полупроводниковый оптический метаматериал - структуру, которая может быть выращена эпитаксиальными методами, что обеспечивает сравнительную простоту технологического процесса и низкую себестоимость. Диапазон толщин материалов слоев 1 и 2 определяют из следующих условий. Свет, распространяясь в подобных структурах, имеет характерный закон дисперсии, определяемый свойствами используемых материалов и соотношением между толщинами слоев полупроводника и металла. Толщина диэлектрика должна быть порядка длины волны распространяющегося в материале света, чтобы на свет оказывало влияние возмущение показателя преломления в периодической структуре. Таким образом, нижняя граница толщины нитрида алюминия собственной проводимости 100 нм определяется краем поглощения нитрида алюминия для излучения второй гармоники. Верхняя граница толщины слоя нитрида алюминия 1400 нм определяется тем, чтобы обеспечить толщину волновода не более 10-15 мкм при количестве пар чередующихся слоев не менее 10. Выбор максимальной толщины волновода определяется необходимостью поддержания высокой плотности мощности накачки, что обеспечивает повышение эффективности генерации второй гармоники. Выбор толщины слоя с металлической проводимостью определяется тем, что он должен быть более чем на порядок тоньше слоя диэлектрика, чтобы уменьшить поглощение в нем, но при этом иметь достаточную толщину, удовлетворяющую условию согласования фаз (1), которое может быть записано следующим образом: 2к=к. Нижняя граница слоя с металлической проводимостью 1 нм определяется технологической достижимостью, а верхняя граница 5 нм обусловлена требованием малого поглощения в этих слоях. Границы уровня концентрации задаются тем, что при достижении нижнего уровня концентрации легирования 1⋅10 см нитрид алюминия приобретает металлическую проводимость, верхняя граница 1⋅10 см определяется технологически достижимым уровнем. Мольная доля алюминия x в твердом растворе AlGaN определяется из условия достижения требуемых значений показателя преломления в обкладках.
Настоящее устройство работает следующим образом.
Излучение накачки вводится в активный элемент на основе нитрида алюминия, представляющий собой волновод, состоящий из нескольких пар слоев полупроводникового материала собственной проводимости и материала с металлической проводимостью. Распространение по волноводу излучения накачки обеспечивает сохранение высокой плотности мощности и за счет этого повышение эффективности генерации второй гармоники. Согласование фаз излучения накачки и второй гармоники обеспечивается компенсацией дисперсии коэффициента преломления волновода и материалов, из которых состоит активный элемент, за счет согласования эффективных коэффициентов преломления волноводных мод излучения накачки и второй гармоники, достигаемого надлежащим выбором толщин слоев, их количества и диэлектрической проницаемости материалов собственной и металлической проводимости.
р
Были проведены теоретические расчеты, подтверждающие достижимость истинного согласования фаз, обеспечивающего максимальную эффективность генерации второй гармоники в предлагаемом устройстве для генерации второй гармоники. Обычно расчет дисперсии света в метаматериалах производят с помощью разложения по плоским волнам. Этот метод эффективен для структур с соотносимыми значениями толщин слоев. Для структуры предлагаемого устройства для генерации второй гармоники оптического излучения метод плоских волн применить не удается, поэтому для теоретических расчетов используется метод блоховских амплитуд. Для света, распространяющегося в плоскости слоев, такая структура представляет собой обыкновенный пленарный волновод. Модификация закона дисперсии происходит при распространении света через активную область волновода под некоторым углом ϕ, как показано на фиг. 1. Диэлектрическая проницаемость в слое металла определяется как проницаемость плазмы с характерной плазменной частотой ω
а для полупроводникового материала формально учитывается хроматическая дисперсия (J.  and L. . Refraction index measurements on AIN single crystals, Phys. Stat. Sol. 14, K5-K8, 1966) с помощью коэффициентов Селлмайера. Дисперсия в обкладках учитывается также с помощью коэффициентов Селлмайера (G.М. Laws, Е.С. Larkins, and I. Harrison. Improved refractive index formulas for the  and  alloys, Journ. Of Appl. Phys., 89 (2), 2001, 1108-1115). Результаты расчета показывают, что для каждой моды волновода существует свой закон дисперсии и свои области разрешенных и запрещенных значений длин волн. Задача генерации второй гармоники сводится к подбору таких значений параметров, при которых одновременно осуществляются два условия: свет на основной и удвоенной частотах распространяется под одним углом к плоскостям волновода; на основной и удвоенной частотах выполняется условие фазового синхронизма, которое в терминах длины когерентности мы формулируем следующим образом:
x
1-x
Управляемыми параметрами задачи являются толщины, количество и материал слоев в метаматериале, материал обкладок и длина волны излучения накачки. В качестве примера приведены результаты теоретического расчета, проведенного для доли алюминия х=0,2 в обкладках волновода, состоящих из AlGaN. Результаты данного расчета показывают, что надлежащим выбором параметров можно добиться длины когерентности до 25 мм. На фиг. 2 показана зависимость длины L когерентности от толщины а диэлектрического слоя метаматериала (параметры расчета: толщина слоя с металлической проводимостью 1 нм, длина волны накачки 550 нм, активная область состоит из 10 пар чередующихся слоев, толщина волновода 12,7 мкм. Расчет показывает, что изменение толщины из-за неточности технологии изготовления приводит к падению длины когерентности, при этом ширина пика на высоте L=1 см составляет порядка 1,2 нм, что значительно больше технологического предела точности толщины эпитаксиального слоя. На фиг. 3 показана зависимость длины L когерентности от изменения толщины h волновода в предположении, что толщина слоя с металлической проводимостью 1 нм, толщина слоя собственной проводимости 1272 нм, активная область волновода состоит из 10 чередующихся слоев, длина волны накачки 550 нм. Ширина пика на уровне L=1 см составляет около 250 нм, что также укладывается в технологические ограничения. На фиг. 4 представлена зависимость длины L когерентности от длины волны λ излучения накачки (параметры расчета: толщина слоя с металлической проводимостью 1 нм, толщина слоя собственной проводимости 1272 нм, активная область содержит 10 слоев, толщина волновода 12,7 мкм). Устройство демонстрирует высокую чувствительность к длине волны накачки: отклонение на 1 нм понижает длину L когерентности с 25 мм до 1,5 мм. Теоретические расчеты для других долей содержания алюминия 0,15≤х≤1 в обкладках волноводного слоя показывают сходные результаты.