Полностью оптический диод

Полезная модель относится к области оптики и может быть широко использовано для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, в устройствах связи и вычислительных оптических компьютерах.
Полностью оптический диод (AOD - all-optical diode) представляет собой пространственно невзаимное устройство, основанное на одностороннем распространении света: обеспечивается различное оптическое пропускание  в противоположных направлениях. Для определенной длины волны в идеальном случае оптический диод позволяет полностью передавать свет по прямому направлению и полностью «запирает» распространение света вдоль обратного направления. AOD является ключевыми компонентом для систем следующего поколения обработки всех оптических сигналов, которые широко используются и в оптических компьютерах.
Известно устройство оптического диода на основе двумерных фотонных кристаллов [Патенты КНР № CN 104460174, CN 105022116], с использованием нелинейно оптических материалов [Патент КНР № CN 101692148] и т.д.
Например, известен оптический диод (оптический вентиль), основанный на свойствах дифракционной оптики, выполненной на криволинейной поверхности, обеспечивать разное пропускание в прямом и обратном направлениях [Минин И.В., Минин О.В, Оптический вентиль. А.С. 1679458, 1989]. Однако габариты таких устройств крайне высоки и не позволяют использовать их в устройствах оптической микрофотоники.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели устройству оптического диода является оптическая система для асимметричной передачи оптического излучения, описанной в статье [Tvingstedt, K., Dal Zilio, S., Inganas, O., Tormen, M., 2008, Trapping light with micro lenses in thin film organic photovoltaic cells, Optics Express, Vol. 16(26), pp. 21608-21615 (2008)] и принятого за прототип.
Оптический диод состоит из микролинзы, в фокусе которой располагается отражающая поверхность подложки с микроотверстием, прошедшее излучение через которое фокусировалось на приемнике, расположенном на большом расстоянии от фокуса микролинзы. При этом оптическое пропускание в прямом направлении: микролинза, отражающая поверхность подложки с отверстием больше, чем в обратном направлении: отражающая поверхность подложки с отверстием, микролинза.
Данное устройство использует микролинзы для создания асимметричной передачи светового излучения. Был получен эффект асимметрии передачи оптического излучения, но структура имела толщину и боковую ширину элементарной ячейки около 100 мкм или более 100-200 длины волны, что не приемлемо. Высокие продольные габариты известного устройства оптического диода обусловлены а) достаточно большим фокусным расстоянием полусферической микролинзы, которое составляет не менее 10-15 длин волн, а диаметр микролинзы - не менее ее фокусного расстояния (для возможности формирования необходимого волнового фронта), б) необходимостью помещать приемник излучения на удалении от поверхности с микроотверстием для эффективного использования всей площади приемника из-за дифракционной расходимости прошедшего через микроотверстия излучения.
Кроме того, выполнение микролинзы в виде полусферической поверхности не позволяет минимизировать отражение от ее поверхности и уменьшить фокусное расстояние, что снижает эффективность устройства в целом.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) оптического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука. - 1970]:
-1
h=2.44 λFD,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.
Диаметр отверстия в отражающей поверхности связан с диаметром пятна Эйри. Для обеспечения максимального пропускания оптического излучения в прямом направлении, диаметр отверстия должен быть не менее диаметра пятна Эйри. С увеличением фокусного расстояния микролинзы увеличивается диаметр отверстия в отражающем экране. В этом случае увеличивается и пропускание оптического диода в обратном направлении.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет качество получаемого изображения и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y. W. Zheng, and B.S. Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. Luk'yanchuk, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, “Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning,” Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.
Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7,  1987, рр. 1348-1356].
Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23–28.], дисков [B. Luk`yanchuk, N. I.Zheludev, S. A. Maier, N. J. Halas, P. Nordlander, H. GiessenandT.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, круговой конус, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin,O. V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910° (2015); Yu. E. Geints, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В.Минин, О.В.Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные  технологии". 2014, №4, С. 4-10.].
Недостатком известных полностью оптических диодов является большие габариты, обусловленный тем, что для фокусировки акустического излучения относительный диаметр линзы D/λ должен быть не менее 10-15 и значительный размер области фокусировки, не менее дифракционного предела, что увеличивает оптическое пропускание диода в обратном направлении.
Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно уменьшение габаритов устройства.
Указанная задача решена благодаря тому, что в полностью оптическом диоде, содержащем фокусирующую микролинзу, в фокусе которой расположена отражающая излучения подложка с микроотверстием, за которой расположен приемник излучения, новым является то, что микролинза выполнена в виде диэлектрической частицы непосредственно контактирующей с отражающей излучение подложкой с микроотверстием и с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.
Кроме того полностью оптический диод по п.1, отличается тем, что диэлектрическая частица может быть выполнена в виде пирамиды с вершиной, обращенной на встречу падающему излучению.
Кроме того диэлектрическая частица может быть выполнена в виде конуса с вершиной, обращенной на встречу падающему излучению.
Кроме того диэлектрическая частица может быть выполнена в виде шарика.
Кроме того диэлектрическая частица может быть выполнена в виде усеченного шарика.
Кроме того диэлектрическая частица может быть выполнена в виде кубика.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрическая частица, например, в форме кубика или шарика или усеченного шарика или кругового конуса или пирмиды, с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1.2 до 1.7, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.
Из технической литературы известно, что величина обратного рассеяния оптического излучения от диэлектрического кругового конуса или пирамиды при падении излучения на его вершину меньше, чем рассеяние от поверхности микролинзы.
На фиг. 1 показана схема полностью оптического диода с диэлектрической частицей в форме шарика (а), кубика (б), усеченного шарика (в), кругового конуса и пирамиды (г).
На фиг. 2 показан пример формирования диэлектрической частицей (в виде шарика, кубика, кругового конуса, пирамиды, усеченного шарика) области повышенной интенсивности оптического поля на ее теневой стороне с  субдифракционным разрешением.
Обозначения: 1 - направление падения оптического излучения на диэлектрическую частицу в «прямом направлении» в виде шарика 2, кубика 5, усеченного шарика 6, кругового конуса или пирамиды 7; 3 - формируемая «фотонная струя» область повышенной интенсивности поля с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, 4 - отражающая излучение подложка с отверстием 8.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В прямом направлении, падающее излучения 1 освещает диэлектрическую частицу 2 или 5 или 6 или 7, которая фокусирует это излучение в «фотонную струю» с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 3, которая возникает непосредственно на теневой границе частицы 2, 5, 6, 7, при этом достижимо пространственное разрешение превышающее дифракционный предел. Далее фотонная струя 3 проходит через отверстие 8 в отражающей излучение подложке 4 и преобразуется оптическим приемником, например, в электрический сигнал и регистрируется. В результате осуществляется режим максимального пропускания оптического излучения.
В обратном направлении оптическое излучение падает на отражающее излучение подложку 4 с отверстием 8. Прохождение излучения через отверстие 8 с диаметром менее длины волны излучения в отражающей излучение подложки мало, что обеспечивает минимальное пропускание оптического излучения в «обратном» направлении.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» для характерных размеров кубика и шарика менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация оптического поля типа «фотонная струя» формируется при размерах диэлектрической частицы не менее λ.
При относительном показателе преломления в материале диэлектрической частицы менее 1.2, формируемая «фотонная струя» не обеспечивает эффективной концентрации оптического излучении и более 1.7, «фотонная струя» формируется внутри диэлектрической частице.
Матрица оптических диодов может быть использована в качестве прозрачного электрода в системах для солнечных элементов.
Устройство оптического диода может быть реализовано как в оптическом диапазоне длин волн, так и в терагерцовом и сверхвысокочастотном диапазонах.
Полностью оптический диод в котором фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи позволяет уменьшить поперечные размеры фокусирующих элементов до 10 раз и увеличить поперечное разрешение (уменьшить поперечный размер области фокусировки и уменьшить диаметр отверстия в отражающей излучение подложке) в 2 раза.