ОПТИЧЕСКИЙ ДИОД

Полезная модель относится к прикладной науке и технике, а именно к оптическим устройствам, и может быть использована, в частности, в нанофотонике, оптоэлектронике, компьютерной технике и в оптоволоконных системах связи.
Оптический диод - устройство, обладающее существенно различными коэффициентами пропускания при прохождении света в прямом и обратном направлениях, является важным компонентом большинства оптических систем. Он применяется, например, для создания стабильных, узкополосных лазерных систем и в линиях оптической связи.
Известен оптический диод, основанный на эффекте Фарадея (Aplet L.J., Carson J.W. A Faraday effect optical isolator //Applied Optics. - 1964. - T. 3. - №. 4. - C. 544-545.), в котором используются магнитооптические материалы. Основные недостатки известного устройства заключаются в его большом размере, необходимости использовать сильные магнитные поля и чувствительности к механическим вибрациям.
2
2
Указанного недостатка лишен оптический диод (Vasily V. Klimov and etc. Optical Tamm state and giant asymmetry of light transmission through an array of nanoholes), принятый за прототип. Известное устройство состоит из кварцевой подложки, фотонного кристалла, металлической нанопленки с массивом наноотверстий. Отличительным признаком прототипа является фотонный кристалл, состоящий из слоев TiO и MgF (данные материалы являются типичными для создания подобных интерференционных фильтров).
Известный оптический диод работает следующим образом. В случае, если свет падает со стороны фотонного кристалла, то эффективно возбуждается оптическое Таммовское состояние и происходит локальное увеличение интенсивности электромагнитного поля в плоскости нанопленки, что позволяет получить значительное пропускание света. В случае, если свет падает с другой стороны устройства, тогда дифракция на наноотверстиях не обеспечивает оптимальные углы для прохождения света, и свет проходит через устройство с сильным ослаблением.
Известное устройство имеет маленькие размеры (в поперечнике 10×10 мкм), что позволяет его использовать в нанофотонике, оптоэлектронике, компьютерной технике и в оптоволоконных системах связи.
Основным недостатком известного устройства является низкое значение коэффициента асимметрии пропускания - отношении интенсивности света, прошедшего в прямом и обратном направлениях (на практике ~ 30 раз) и низкий коэффициент пропускания в прямом направлении (<1%).
Задача полезной модели заключается в повышении эффективности оптического диода, а, именно, в увеличении коэффициента асимметрии и коэффициента пропускания в прямом направлении.
2
2
5
Поставленная задача решается оптическим диодом, который состоит из подложки (1), фотонного кристалла (2), металлической пленки (3) с массивом наноотверстий (4). Отличительным признаком полезной модели является устройство фотонного кристалла и физический принцип на котором основана предлагаемая реализация оптического диода. Фотонный кристалл изготовлен из чередующихся диэлектрических из материала SiO и материала TaO, при этом количество пар слоев фотонного кристалла составляет от 50 до 150, а толщины слоев, соответственно, составляют 12 и 254 нанометров.
На фигуре 1 показана блок-схема оптического диода: 1 - подложка, 2 - фотонный кристалл, 3 - металлическая пленка с массивом наноотверстий 4.
На фигуре 2 показана зависимость коэффициента пропускания света оптическим диодом в прямом (5) и обратном (6) направлениях от длины волны падающего света. Для наглядности значения кривой 6 увеличены в 10 раз.
На фигуре 3 приведена зависимость коэффициента асимметрии оптического диода от длины волны падающего света.
Достижение заявленного технического результата, а именно повышение эффективности оптического диода, заключающейся в увеличении коэффициента асимметрии и в увеличении коэффициента пропускания в прямом направлении, которые происходит за счет того, что в заявляемом устройстве используются одновременно три физические явления: плазмонные эффекты на наноотверстиях в металлической пленке, интерференция света в фотонном кристалле и эффективное отражение света от фотонного кристалла при перпендикулярном падении. Технически это достигается тем, что в заявляемом устройстве используется фотонный кристалл, отличный по своему строению от прототипа, что объясняет его следующие свойства: (i) коэффициент пропускания близкий к 100% вне запрещенной зоны, (ii) очень низкий коэффициентом пропускания для длин волн, лежащих в диапазоне запрещенных длин волн, (iii) резкую границу между разрешенной и запрещенной зонами.
Оптический диод работает следующим образом. В случае, если свет падает по нормали со стороны подложки, то излучение ослабляется из-за отражения на фотонном кристалле. В случае, если свет падает по нормали с другой стороны - со стороны металлической пленки с массивом наноотверстий, свет, прошедший через наноотверстие, испытывает дифракцию и распространяется в большом телесном угле. Большая часть этого излучения, распространяющаяся под значительным углом наклона по отношению к нормали фотонного кристалла, проходит без ослабления из-за известного эффекта «просветления» фотонного кристалла (Raut Н.K. et al. Anti-reflective coatings: A critical, in-depth review // Energy & Environmental Science. 2011. V. 4. N. 10. P. 3779-3804).
В отличие от прототипа, где используется другой фотонный кристалл и другой физический принцип лежит в основе, в заявляемом устройстве используются фотонный кристалл с отличными свойствами, что позволяет существенно увеличить прямое пропускание и значительно подавить обратное.
2
5
2
Конкретное техническое оформление заявляемого устройства, а именно, подложка, фотонный кристалл, металлическая пленка с массивом наноотверстий, являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи, требуемой точности, длины волны и мощности излучения. Фотонный кристалл должен иметь резкую границу между разрешенной и запрещенной зонами, а также большой контраст в коэффициенте отражения и пропускания. Он может быть изготовлен из диэлектрических слоев с переменными показателями преломления: высоким, например, из материала TaO, и низким, например, из материала SiO, при этом количество пар слоев фотонного кристалла составляет от 50 до 150, а толщины слоев, соответственно, составляют 12±3 и 254±60 нанометров. Количество слоев влияет на коэффициент отражения от фотонного кристалла, который увеличивается с увеличением числа слоев. Число пар слоев также определяет спектральный диапазон работы фотонного кристалла. Для достижения лучших значений коэффициента асимметрии диода необходимо использовать фотонный кристалл с большим коэффициентом отражения, близким к 100%. Для этого требуется несколько десятков слоев (Schallenberg U. et al. Design and manufacturing of high-performance notch filters //SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. - International Society for Optics and Photonics, 2010. - С.77391X-77391X-9).
Толщина металлической пленки должна быть достаточно большой, чтобы не пропускать падающее излучение на металлическую пленку вне наноотверстий. При этом эта толщина не должна быть слишком большой, чтобы через наноотверстия проникало значительное количество падающего света. Толщина металлической пленки может составлять величину от 100 до 250 нм. Диаметр наноотверстия выбирается меньше длины волны света и может составлять значение от 100 до 300 нм. Металлическая пленка может быть изготовлена из золота или серебра. Золото является оптимальным вариантом, в связи с тем, что оно более устойчиво к окислению и сульфидации от контакта с окружающей атмосферой.
Нами был изготовлен и испытан экспериментальный образец оптического диода. Подложка была выполнена из кварца и имела толщину 1 мм. В качестве фотонного кристалла использовался Notch filter NF785-33 (ThorLabs). Фотонный кристалл имел следующие параметры: центр запрещенной зоны фотонного кристалла расположен на длине волны 783 нм, ее спектральная ширина равна 20 нм.
Металлическая пленка выполнена из золота методом термического распыления и имела толщину 200 нм. В пленке золота созданы массивы наноотверстий диаметром 150 нм, которые располагались на расстоянии 4 мкм друг от друга. В качестве источника света использовали широкополосное излучение суперконтинуума, которое фокусированное на образец с помощью микрообъектива с числовой апертурой NA=0.6. Регистрация излучения, прошедшего через образец проводилась с использованием такого же объектива. Контроль излучения на выходе из устройства производился с помощью стандартного спектрометра.
На фигуре 2 приведена зависимость коэффициента пропускания света оптическим диодом в прямом (5) и обратном (6) направлениях от длины волны падающего света. Как видно из фигуры, спектр пропускания характеризуется запрещенной зоной с центром на длине волны 783 нм. При этом, в прямом направлении (5) отсутствует проявление запрещенной зоны фотонного кристалла из-за эффекта его «просветления». Коэффициент пропускания в прямом направлении в диапазоне 770-800 нм составляет ~ 2%.
Как видно из фигуры 3 коэффициент асимметрии оптического диода сильно зависит от длины волны падающего света. При этом в диапазоне длин волн падающего света 770-800 нм коэффициент асимметрии достигает 30000,
Таким образом, созданный оптический диод позволил достигнуть заявленный технический результат, а именно повысить эффективность оптического диода, заключающуюся в увеличении коэффициента асимметрии и коэффициента пропускания в прямом направлении.