УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ВАРИАНТЫ) И ОПТИЧЕСКАЯ (ФОТОННАЯ) ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ВАРИАНТЫ)
DESIGN OF OPTICAL ANTENNA FOR OPTICAL INTEGRATED CIRCUITS (VERSIONS) AND OPTICAL (PHOTON) INTEGRAL CIRCUIT (VERSIONS)

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности предназначено для оптоэлектроники и фотоники, и может быть использовано при создании монолитных оптических (фотонных) интегральных схем (ОИС).
Для фотонных кристаллов, где информация переносится светом, создание сверхпроводников, точнее идеальных фотонных проводников по соседству с фотонным изолятором или фотонным полупроводником, не представляет принципиальных трудностей. Следует также отметить, что обычные сверхпроводники принципиально не могут работать при очень большой частоте переключения, так как она ограничена сравнительно малым значением ширины запрещенной зоны вблизи уровня Ферми. На фотонные идеальные проводники это ограничение не распространяется. Еще одна возможность, предоставляемая фотонными кристаллами, - создание нового типа волноводов. Радиус изгиба обычного стекловолокна не может быть очень маленьким, иначе свет покинет волновод. Поэтому для изменения направления движения волны, например, на угол 90 градусов требуется расстояние не менее десяти длин волн. А в волноводе из фотонных кристаллов потребуется расстояние порядка одной длины волны и даже меньше, в пределе, в случае трехмерной упаковки, плотность элементов можно увеличить в сто раз.
Известны планарные полосковые антенны радиоволн, применяемые для передачи и приема радиоволн [Patent US 5777583 (1998), J.Schaffiier, et al US Patent 6100853 (2000)]. Известны оптические антенны [Kropp et al., US Patent 6973248 (2005)] и оптические антенны [Crowley, US Patent 7205021 (2007)].
Также известна квази-оптическая полосковая линия [Legg et al., US Patent 5117237 (1992)] для формирования и управления пучком радиоволн, состоящий из внутреннего плоского проводника и внешних плоских проводников, изготовляется фотолитографически, служит для эффективного приема и передачи радиоволн.
Известна полосковая антенна, содержащая диэлектрическую подложку, металлический экран, основной полосковый излучатель, при размерах полосковой антенны, не превышающих несколько десятых длины волны, предназначена для использования в аппаратуре связи и радиолокации в качестве одиночного широкополосного излучателя и как элемент низкопрофильной антенной решетки [Реньш Ю.А., патнет РФ RU 2121737 (1998)].
Недостатком данных известных устройств является то они предназначены для использования в другом диапазоне электромагнитных волн - радиоволн и не могут использоваться для волн оптического диапазона.
Для приема и передачи оптического излучения предложены нанокаксиалы - коаксиальные кабели нанометрового размера, изготовленные на основе углеродных трубок, служат для эффективного приема и передачи оптического излучения видимого и ближнего ИК-диапазона [Kempa et al., US Patent Application US 2007/0047056, Appi. Phys. Lett. 90, 021104 (2007)].
Известны фотонные металлические наноструктуры, представляющие собой набор упорядоченных круглых отверстий в металлической пленке, нанесенной на диэлектрик, обеспечивающие прием и передачу оптического излучения вдоль диэлектрика [Devaux. E. Et al, Appi. Phys. Lett. 83. 4936(2003)] - принято в качестве прототипа для всех заявленных объектов.
Недостатком данных известных устройств является то, что они сложны в изготовлении за счет использования углеродных нанотрубок, изготовления нанонитей при помощи либо литографии, либо фокусированного ионного травления, неиспользование нелинейности (работа с излучением на основной частоте, а не с гармониками), геометрии распространения электромагнитной волны.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию элементов ввода-вывода оптического излучения в планарные фотонные структуры монолитных оптических (фотонных) интегральных схем (ОИС).
Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении конструкции при обеспечении возможности работы с гармониками в оптическом диапазоне волн за счет использованием традиционных (дешевых) проводников (напыленный металл) и геометрией распространения электромагнитной волны вдоль диэлектрика.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения устройства ввода-вывода достигается тем, что устройство оптической антенны для оптических интегральных схем представляет собой металлическую планарную полосковую структуру, нанесенную на подложку из диэлектрического материала, центральным элементом, которой является полосок для связи с размещенным на подложке двумерным фотонным кристаллом или активной фотонно-кристаллической структурой, выполненный шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины волны электромагнитного излучения оптического диапазона, окруженный сплошной металлической областью, отделенной от полоска зазором шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины этой же волны, при этом каждый конец полоска выполнен выступающим за пределы сплошной металлической области.
При этом на подложку из диэлектрического материала может быть нанесен слой функционального материала типа пленки сегнетоэлектрика или магнетика, а металлическая планарная полосковая структура выполнена в виде металлической пленки, нанесенной на функциональный материал. А двумерный фотонный кристалл или активная фотонно-кристаллическая структура могут быть выполнены непосредственно в пленке сегнетоэлектрика или магнетика, нанесенной на подложку, или закреплены непосредственно на подложке.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения устройства ввода-вывода достигается тем, что устройство оптической антенны для оптических интегральных схем представляет собой металлическую планарную полосковую структуру, нанесенную в виде модуля и представляющую собой подложку из диэлектрического материала, центральным элементом которой является полосок для связи с двумерным фотонным кристаллом или активной фотонно-кристаллической структурой, выполненный шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины волны электромагнитного излучения оптического диапазона, окруженный сплошной металлической областью, отделенной от полоска зазором шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины этой же волны, каждый конец полоска выполнен выступающим за пределы сплошной металлической области, которая на подложке выполнена прямоугольной формы с двумя прямоугольной формы вырезами на противоположных сторонах, полосок выполнен прямолинейным и размещен между вырезами, а концы полоска выведены в зону вырезов.
При этом двумерный фотонный кристалл или активная фотонно-кристаллическая структура расположены на подложке в зоне одного из вырезов сплошной металлической области.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения схемы ОИС достигается тем, что оптическая планарная фотонная единица включает в себя устройства ввода-вывода оптического излучения, связанные с двумерным фотонным кристаллом или фотонно-кристаллическим элементом, которые закреплены на подложке, при этом каждое устройство ввода-вывода оптического излучения выполнено в виде металлической планарной полосковой структуры, нанесенной на подложку из диэлектрического материала, центральным элементом которой является полосок для связи с размещенным на подложке двумерным фотонным кристаллом или фотонно-кристаллическим элементом, выполненный шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины волны оптического излучения, окруженный сплошной металлической областью, отделенной от полоска зазором шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины этой же волны, при этом каждый конец полоска выполнен выступающим за пределы сплошной металлической области, при этом устройства ввода-вывода оптического излучения расположены на противоположных сторонах двумерного фотонного кристалла или фотонно-кристаллического элемента.
При этом на подложку из диэлектрического материала может быть нанесен слой функционального материала типа пленки сегнетоэлектрика или магнетика, металлическая планарная полосковая структура выполнена в виде металлической пленки, нанесенной на функциональный материал, а двумерный фотонный кристалл или фотонно-кристаллический элемент выполнены непосредственно в пленке сегнетоэлектрика или магнетика.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения схемы ОИС достигается тем, что оптическая планарная фотонная единица включает в себя устройства ввода-вывода оптического излучения, связанные с активным фотонно-кристаллическим элементом, который закреплен на подложке, при этом каждое устройство ввода-вывода оптического излучения выполнено в виде металлической планарной полосковой структуры, нанесенной на подложку из диэлектрического материала, центральным элементом которой является полосок для связи с размещенным на подложке активным фотонно-кристаллическим элементом, выполненный шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины волны оптического излучения, окруженный сплошной металлической областью, отделенной от полоска зазором шириной, по крайней мере на порядок меньшей длины этой же волны, при этом каждый конец полоска выполнен выступающим за пределы сплошной металлической области, при этом устройства ввода-вывода с функцией вывода оптического излучения расположены на противоположных сторонах активного фотонно-кристаллического элемента, а устройство ввода-вывода с функцией ввода оптического излучения расположено с третьей стороны активного фотонно-кристаллического элемента.
При этом на подложку из диэлектрического материала может быть нанесен слой функционального материала типа пленки сегнетоэлектрика или магнетика, металлическая планарная полосковая структура выполнена в виде металлической пленки, нанесенной на функциональный материал, а активный фотонно-кристаллический элемент выполнен непосредственно в пленке сегнетоэлектрика или магнетика.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
На фиг.1 - устройство оптической антенны, вид в плане;
фиг.2 - сечение А-А по фиг.1, первый пример исполнения;
фиг.3 - сечение А-А по фиг.1, второй пример исполнения;
фиг.4 - система связи устройства ввода-вывода с двумерным фотонным кристаллом;
фиг.5 - оптическая интегральная схема с устройством ввода-вывода оптического излучения и активным фотонно-кристаллическим элементом;
фиг.6 - сечение Б-Б по фиг.4, первый пример исполнения;
фиг.7 - сечение Б-Б по фиг.4, второй пример исполнения.
На фиг.1-3 и 6-7 так же проставлены размеры в мкм.
Согласно настоящего изобретения рассматривается устройство ввода-вывода оптического излучения, представляющее собой оптическую антенну (фиг.1), которая представляет собой металлическую планарную полосковую структуру, нанесенную на подложку 1 из диэлектрического материала, центральным элементом которой является полосок 2 (нить) для связи с размещенным на подложке двумерным фотонным кристаллом или активной фотонно-кристаллической структурой. Полосок 2 выполняется шириной (0,15 мкм), много меньшей длины волны (фиг.2. 3) (по крайней мере на порядок меньшей длины волны электромагнитного излучения оптического диапазона). Полосок 2 окружен сплошной металлической областью 3, отделенной от полоска зазором (0,1 мкм), также много меньшим длины волны (по крайней мере на порядок меньшей длины волны электромагнитного излучения оптического диапазона). Для большей эффективности сбора электромагнитного излучения оптического диапазона каждый конец полоска 2 должен выступать за пределы сплошной металлической области 3. Нанозазоры вырезаются из сплошной металлической пленки любым литографическим способом или прямым фокусированным ионным травлением.
На подложку 1 из диэлектрического материала толщиной 0,1-0,4 мкм (кремний, кварц, стекло, окись магния, титанат стронция и др.) может быть нанесена пленка функционального материала 4 (ФМ) толщиной 0,1-1,0 мкм (типа сегнетоэлектрика или магнетика) (фиг.2), на основе которого будет изготовлен двумерный фотонный кристалл (ФК) (метаматериал) или активная фотонно-кристаллическая структура, например волновод или переключатель.
На пленку ФМ наносится металлическая пленка толщиной 0,1-0,3 мкм, по которой литографически выполнен рисунок, изображенный на фиг.1. Двумерный фотонный кристалл или активная фотонно-кристаллическая структура могут быть выполнены непосредственно в пленке сегнетоэлектрика или магнетика, нанесенной на подложку или двумерный фотонный кристалл или активная фотонно-кристаллическая структура могут быть закреплены непосредственно на подложке.
На основе данного решения может быть реализована конструкция модульных элементов построения ОИС. Устройство оптической антенны (ввода-вывода) для оптических интегральных схем, построенное по рассмотренному принципу, может представлять собой металлическую планарную полосковую структуру, выполненную в виде модуля, в котором сплошная металлическая область 3 на подложке выполнена в плане прямоугольной формы (100-1000 мкм × 100 мкм) с двумя прямоугольной (или параболической или конусной) формы вырезами 5 (50 мкм × 25 мкм) на противоположных сторонах, полосок выполнен прямолинейным и размещен между вырезами, а концы полоска 2 выведены в зону вырезов 5. При таком исполнении двумерный фотонный кристалл или активная фотонно-кристаллическая структура располагаются на подложке в зоне одного из вырезов сплошной металлической области.
На основании рассмотренных примеров возможно создание систем связи устройства ввода-вывода с двумерным, фотонным кристаллом (метаматериалом) или любым фотонно-кристаллическим элементом (волноводом).
Такая система может представлять собой монолитную оптическую интегральную схему, состоящую как минимум из устройств ввода-вывода оптического излучения и активного фотонно-кристаллического элемента, которые выполняются непосредственно в пленке ФМ, нанесенного на подложку или изготавливаются независимо и закрепляются на подложке с использованием молекулярных клеев.
Оптическая пленарная фотонная единица, представленная на фиг.4, включает в себя два устройства ввода-вывода 6 и 7 оптического излучения, связанные с двумерным фотонным кристаллом 8 или фотонно-кристаллическим элементом, которые закреплены на подложке. Каждое устройство ввода-вывода оптического излучения выполнено в виде металлической планарной полосковой структуры, описанной применительно к фиг.1, при этом эти устройства ввода-вывода оптического излучения расположены на противоположных сторонах двумерного фотонного кристалла 8 или фотонно-кристаллического элемента так, что прямолинейные полоски 2 расположены соосно. В такой системе одно устройство ввода-вывода, например под поз.7, рассматривается как выполненное с функцией ввода излучения, а устройство ввода-вывода, например под поз. 6, рассматривается как выполненное с функцией вывода излучения из кристалла 8.
В этой оптической планарной фотонной единице на подложку из диэлектрического материала может быть нанесен слой функционального материала типа пленки сегнетоэлектрика или магнетика, металлическая планарная полосковая структура выполнена в виде металлической пленки, нанесенной на функциональный материал, а двумерный фотонный кристалл или фотоно-кристаллический элемент выполнены непосредственно в пленке сегнетоэлектрика или магнетика.
Оптическая планарная фотонная единица (фиг.5) включает в себя три устройства ввода-вывода 6. 7 и 9 оптического излучения, связанные с активным фотонно-кристаллическим элементом 10, который закреплен на подложке. Каждое устройство ввода-вывода оптического излучения выполнено в виде металлической планарной полосковой структуры по фиг.1. При этом устройства ввода-вывода 6 и 7 с функцией вывода оптического излучения расположены на противоположных сторонах активного фотонно-кристаллического элемента 10, а устройство ввода-вывода 9 с функцией ввода оптического излучения расположено с третьей стороны активного фотонно-кристаллического элемента.
В этом примере исполнения на подложку из диэлектрического материала также может быть нанесен слой функционального материала типа пленки сегнетоэлектрика или магнетика, металлическая планарная полосковая структура выполнена в виде металлической пленки, нанесенной на функциональный материал, а активный фотонно-кристаллический элемент выполнен непосредственно в пленке сегнетоэлектрика или магнетика.
Учитывая конфигурацию планарной полосковой структуры устройства ввода-вывода становится возможным создание развитых ОИС, в которые удачно вписываются по месту размещения фотонно-кристаллические элементы и узлы.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть реализовано с использованием современных известных технологий.