УЗКОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к области оптических элементов, в частности к дифракционным решеткам, а именно к узкоспектральным оптическим фильтрам на основе дифракционных решеток, и может быть использована для выделения узкого спектрального диапазона оптического излучения в таких областях применения, как оптические вычисления, взаимосвязанные маршрутизаторы и мультиплексирование/демультиплексирование с разделением по длине волны.
Известен резонансный фильтр [1], представляющий собой фильтр на основе волновода и решетки, основанный на узкоспектральном пропускании при эффекте резонанса направленной волны в волноводе. Данное устройство позволяет осуществлять спектральную фильтрацию, однако требует использования дополнительного волноводного слоя, что увеличивает размер устройства и сложность его изготовления.
Известен оптический мультиплексор/демультиплексор на основе резонансных решеточных фильтров [2], основной составляющей частью которого являются спектральные решеточные фильтры, расположенные вдоль линии распространения света. К недостатку используемых фильтров следует отнести необходимость последовательной установки трех фильтров для достижения спектрального контраста, что увеличивает общую стоимость устройства.
Техническим решением, наиболее близким к заявленному устройству, является узкоспектральный оптический фильтр [3], принятый в качестве прототипа. Фильтр состоит из волновода и субволновой резонансной решетки, внедренной в данный волновод. Условия резонанса в этом устройстве выполняются при захвате распространяющейся поверхностной волны благодаря полному внутреннему отражению, при этом, отражения вне резонанса отсутствуют. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что они представляют собой узкоспектральный оптический фильтр, включающий в себя субволновую резонансную дифракционную решетку. В качестве областей применения фильтра указываются оптические вычисления, взаимосвязанные маршрутизаторы и мультиплексирование/демультиплексирование с разделением по длине волны.
Основным недостатком известного технического решения является недостаточная спектральная селективность узкоспектрального оптического фильтра, за счет чего увеличиваются перекрестные помехи между каналами при применении фильтра для мультиплексирования/демультиплексирования сигналов с разделением по длине волны. Кроме того, устройство обладает относительно высокой стоимостью, а также относительно большими размерами, в связи с необходимостью использования волновода, что затрудняет применение устройства в микроэлектронике.
Заявленная полезная модель свободна от указанных выше недостатков, и ее технический результат состоит в увеличении спектральной селективности узкоспектрального оптического фильтра, а также уменьшении размера и снижении стоимости устройства. Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной полезной модели в качестве узкоспектрального фильтра используется субволновая резонансная решетка, представляющая собой слой с оптическим резонансом, спектральная ширина которого периодически меняется в пространстве как Δν(x)=Δν(x+L), где Δν - спектральная ширина оптического резонанса, L - период изменения спектральной ширины, х - координата по оси, направленной вдоль слоя с оптическим резонансом.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется Фиг. 1 - Фиг. 4.
0
Схема заявленного устройства пояснена на Фиг. 1. Устройство состоит из трех слоев: на подложке 1 расположен слой с оптическим резонансом 2 толщиной d, который может быть закрыт покрывающим слоем 3. Оптический резонанс в слое 2 имеет центральную частоту ν и спектральную ширину Δν. Спектральная ширина меняется периодически вдоль оси х в соответствии с законом Δν(x)=Δν(x+L), где Δν - ширина оптического резонанса, L - период изменения спектральной ширины, х - координата по оси, направленной вдоль слоя с оптическим резонансом.
0
0
Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. На устройство из верхнего полупространства падает плоская световая волна с частотой ν и интенсивностью I. Свет проходит покрывающий слой и попадает на слой с оптическим резонансом. В условиях несовпадения частоты ν с частотой ν свет беспрепятственно проходит через устройство.
0
R
D
D
D
0
RD
0
RD
D
0
RD
0
При условии приближения ν к ν свет рассеивается на слое с оптическим резонансом из-за пространственной неоднородности его спектральной ширины Δν. Пространственная периодичность Δν приводит к формированию рассеянной электромагнитной волны, содержащей зеркальную компоненту с интенсивностью I, а также дифракционный рефлекс с интенсивностью I. Дифракционная эффективность определяется следующим образом: K = I/I. Резонансная дифракционная эффективность K вводится как дифракционная эффективность на частоте ν: K = K(ν). Выбор периода L и толщины d позволяет задать количество, направление и K дифракционных рефлексов. Таким образом, достигается выделение узкого спектрального диапазона оптического излучения вблизи частоты ν, и перенаправление его под необходимым углом.
D
0
На Фиг. 2 приведен график зависимости дифракционной эффективности K, отложенной по оси ординат, от отложенной по оси абсцисс частоты света ν, выраженной в ТГц, полученный путем теоретического моделирования. Моделирование проводилось для слоя с ν = 365.175 ТГц, периодом решетки L = 800 нм. Закон изменения спектральной ширины Δν(x) был принят как изменение неоднородной ширины оптического резонанса в виде меандра с коэффициентом заполнения 50%. Фоновые показатели преломления слоев 1, 2 и 3 приняты равными 3.5, угол падения равен углу Брюстера для границы раздела вакуума и слоя 3, падающий свет поляризован в плоскости падения. Радиационная ширина оптического резонанса принята равной 0,0085 ТГц, неоднородное уширение 0,024 ТГц, дополнительное неоднородное уширение в полосах 0,012 ТГц.
Моделирование проводилось для первого дифракционного рефлекса. При моделировании структура считалась бесконечной в плоскости, а слои 1 и 3 - полубесконечными.
0
RD
D
0
На Фиг. 3 показана зависимость теоретически рассчитанного спектрального контраста С, отложенного по оси ординат, от отстройки от резонанса δν = ν - ν, отложенной по оси абсцисс и выраженной в ТГц. Спектральный контраст был определен следующим образом: C(δν) = K / K(ν±δν). Параметры структуры, использованные в моделировании, совпадают с приведенными выше.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: была достигнута высокая спектральная селективность узкоспектрального оптического фильтра. Как показали результаты апробации, которые представлены примером, устройство демонстрирует выделение узкого спектрального диапазона с высоким контрастом.
D
0.015
0.985
0
D
Пример. На Фиг. 4 показана полученная в результате эксперимента зависимость дифракционной эффективности K, отложенная по оси ординат, от частоты света ν, отложенной по оси абсцисс и выраженной в ТГц. Эксперимент был проведен на образце, в котором в качестве слоя 2 использовалась квантовая яма из материала InGaAs толщиной d = 4.4 нм, а в качестве слоев 1 и 3 - слои GaAs. Температура образца в ходе эксперимента была равна 10 К. Измерения проводились вблизи частоты резонанса экситона с тяжелой дыркой ν = 365.224 ТГц. Закон изменения спектральной ширины Δν(x) аналогичен описанному выше для теоретической модели, со следующими параметрами: период решетки L=805 нм, ширина полос d=400 нм, фоновый показатель преломления слоев равен 3.59, угол падения 74°, падающий свет поляризован в плоскости падения. Радиационная ширина резонанса равна 0.0085 ТГц, неоднородное уширение равно 0.024 ТГц, дополнительное неоднородное уширение сформировано путем введения дополнительных вакансий в полосах. В эксперименте детектировался спектр первого дифракционного рефлекса K(ν). Приведенный на Фиг. 4 спектр демонстрирует выделение узкого спектрального диапазона с высоким контрастом, что подтверждает применимость предложенной полезной модели.
Технико-экономическая эффективность заявленной модели состоит в том, что предлагается узкоспектральный оптический фильтр, позволяющий при меньших затратах и размере (устройство не содержит волновода), достичь большей спектральной селективности фильтра в два раза по сравнению с прототипом за счет высокого спектрального контраста используемой субволновой решетки. Увеличение спектрального контраста позволит увеличить плотность информационных каналов при использовании фильтра для мультиплексирования/демультиплексирования с разделением по длине волны, что приведет к кратному снижению стоимости услуг операторов телематической связи.
Список использованной литературы:
1. Debra D. Wawro; Sorin Tibuleac; Robert Magnusson // Resonant Waveguide-Grating Filters And Sensors And Methods For Making And Using Same // Патент США US 007167615 B1, 23.01.2007.
2. Eric B. Grann; L. Curtis Maxey; // Optical Multiplexer/Demultiplexer using Resonant Grating Filters // Патент США US 006212312 B1, 03.04.2001.
3. Eric B. Grann; David N. Sitter, Jr. // Integrated Narrowband Optical Filter Based On Embedded Subwavelength Resonant Grating Structures // Патент США US 006035089 A, 07.03.2000.// (Прототип)