УСТРОЙСТВО РЕЗОНАНСНОГО ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для управления направлением и скоростью распространения электромагнитного излучения оптического диапазона в областях фотоники и оптоэлектроники для коммутации оптических элементов, переключения оптических сигналов и передачи оптического сигнала на ультракороткие расстояния, не превышающие нескольких миллиметров.
Аналогом полезной модели является устройство на основе протяженных дефектов в трехмерном фотонном кристалле. Устройство представляет собой твердотельную структуру с изменяющейся в трех пространственных направлениях в соответствии с периодическим законом величиной показателя преломления, при этом период изменения сравним с длиной волны света. Для прохождения электромагнитного излучения в объеме структуры формируется дефект требуемой протяженности и вдоль требуемой траектории, обладающий волноводными свойствами (научная публикация [Lidorikis Е., Povinelli M.L., Johnson S.G., and Joannopoulos J.D. Polarization-Independent Linear Waveguides in 3D Photonic Crystals // Physical Review Letters. - 2003. - Vol. 91. - P. 023902-1 - 023902-4]). Данное устройство обладает следующими существенными недостатками: ключевые оптические характеристики (коэффициент пропускания, рабочий диапазон частот) определяются еще на этапе изготовления устройства и не подлежат корректировке в процессе эксплуатации изделия, принципиальная невозможность изменения траектории распространения излучения, предустановленной на этапе изготовления, узкий диапазон рабочих частот, сложность формирования дефекта-волновода с заданной геометрией и высокой добротностью.
Другим аналогом полезной модели является оптический волновод, сформированный в массиве прозрачного диэлектрика, описанный в работе [Nolte S., Will М., Burghoff J., Tuennermann A. Femtosecond waveguide writing: a new avenue to threedimensional integrated optics // Applied Physics A. - 2003. -Vol. 77. - №l.-P. 109-111]. Недостатками данного аналога по сравнению с полезной моделью являются также принципиальная невозможность изменения траектории излучения, высокие потери энергии излучения в виду низкой добротности волновода, сложность коммутации устройства с другими элементами системы передачи электромагнитного излучения ввиду низкого качества волновода вблизи входного и выходного торцов - это непостоянство формы и размера волновода, флуктуации показателя преломления, дефекты в виде трещин и пузырьков, вызванные термическими эффектами вблизи границы заготовки при изготовлении.
Известно также устройство оптического метаматериала, который представляет собой композиционный материал, содержащий особым образом структурированные диэлектрические и металлические элементы заданной конфигурации, размеры которых значительно меньше длины волны света (научные публикации [Shalaev V.M. Optical negative-index metamaterials // Nature Photonics. - 2007. - Vol. 1. - P. 41 - 48; Pendry J.B., Holden A.J., Stewart W. J., and Youngs I. Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures // Physical Review Letters. - 1996. - Vol. 76. - P. 4773 - 4776]). Примем данное устройство за прототип. Прототип имеет следующие недостатки: высокие потери энергии излучения ввиду присутствия в структуре металлических компонентов (омические потери), крайне слабый отклик оптических характеристик на воздействие внешним электрическим полем, что не позволяет управлять направлением и скоростью распространения излучения, предопределенными на этапе изготовления, низкая эффективность работы с электромагнитным излучением оптического диапазона частот, сопряженная с повышением потерь энергии излучения.
Целью предлагаемой полезной модели является уменьшение потерь энергии электромагнитного излучения в устройстве, обеспечение возможность изменения траектории и скорости распространения излучения в процессе эксплуатации, повышение эффективности работы с электромагнитным излучением оптического диапазона.
Поставленная цель достигается при помощи устройства резонансного фотонного кристалла для управления распространением электромагнитного излучения. Устройство включает пространственно-периодическую цепочку чередующихся полупроводниковых слоев двух типов, отличающихся толщиной и величиной показателя преломления, при этом в центр каждого слоя одного типа встроена узкая полупроводниковая квантовая яма (квантовый колодец). В структуре обеспечивается связь слоев друг с другом за счет распространения фотонов электромагнитного поля и квантового туннелирования экситонов, формирующихся в квантовых ямах.
Полезная модель резонансного фотонного кристалла позволяет эффективно управлять направлением распространения, а также групповой скоростью электромагнитного излучения. Именно для задач коммутации оптических элементов, переключения и передачи оптических сигналов эти проблемы являются принципиальными. Физически направление распространения электромагнитного поля определяется углом преломления, который обеспечивает устройство. Сама величина угла преломления непосредственно связана с резонансным характером взаимодействия полупроводниковых квантовых ям с излучением. Изменение резонансных свойств квантовых ям приложением к ним внешнего электрического поля позволяет управлять углом преломления, обеспечиваемым устройством. Изменение величины групповой скорости распространяющегося в таких системах светового импульса непосредственно связано с формированием экситон-поляритонов, образованных линейной суперпозицией фотонов внешнего электромагнитного поля и когерентных возмущений среды - экситонов.
Первым существенным признаком, необходимым для достижения технического результата, является использование в качестве основы периодической в одном пространственном направлении слоистой полупроводниковой структуры без металлических включений. Выбор толщины и материала слоев позволяет в широких пределах управлять структурой энергетических зон устройства, настраивая тем самым его резонансные свойства и выбирая рабочий диапазон частот излучения. При этом оказывается доступна настройка устройства и на оптический диапазон частот. Отсутствие в составе изделия металлических компонентов автоматически исключает омические потери энергии излучения, что повышает эффективность работы изделия с излучением выбранного частотного диапазона. Кроме того, предложенное устройство с периодической модуляцией показателя преломления в отличие от аналогов с однородным показателем преломления позволяет получить отрицательные углы преломления, что по крайней мере в два раза расширяет телесный угол, в пределах которого возможно управлять направлением распространения электромагнитного излучения.
Вторым существенным признаком является присутствие в центре слоев одного типа встроенных полупроводниковых квантовых ям. Отклик квантовых ям на воздействие внешним электрическим полем позволяет настраивать оптические свойства всей структуры без ее разрушения, в том числе, управлять ее эффективным показателем преломления и, как следствие, направлением распространения электромагнитного излучения.
Третьим существенным признаком является возможность распространения в структуре устройства резонансного кристалла электромагнитного излучения требуемого спектрального диапазона и, как следствие, возможность связи этого излучения с экситонами в квантовых ямках с образованием квазичастиц экситон-поляритонов. Управляя при помощи воздействия внешнего электрического поля резонансными свойствами квантовых ям, можно настраивать величину групповой скорости распространения света в связанном (поляритонном) состоянии в структуре устройства.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение полезной модели резонансного фотонного кристалла. В качестве основы выступает пространственно-периодическая в одном направлении структура полупроводниковых слоев двух типов - 1 и 2. В центр каждого слоя типа 2 встроена полупроводниковая квантовая яма 3. X, Y, Z обозначают координатные оси в декартовой системе координат. Координатная ось Z совпадает с осью роста структуры устройства.
с
0
0
0.3
0.7
0.12
0.88
0.3
0.7
0.3
0.7
На фиг. 2 приведены зависимости углов преломления монохроматических световых пучков с заданными частотами от величины скорости излучательной релаксации экситонов. На рисунке используются следующие обозначения: β - угол преломления света, ω - частота света, Г - скорость излучательной релаксации экситонов,  - постоянная Планка. Величина β измеряется в градусах (°). Величина T измеряется в миллиэлектронвольтах (мэВ); величина  измеряется в электронвольтах (эВ). Для иллюстрации результатов в качестве примера выбрана GaN/AlGaN структура с InGaN квантовыми ямами, обладающая следующими параметрами: толщины слоев GaN и AlGaN выбраны как 64,8 нм и 115,3 нм соответственно, показатели преломления слоев GaN и AlGaN выбраны как 2,55 и 2,15 соответственно, резонансная частота экситонов настроена на величину 2,95 эВ.
На фиг. 3 приведены зависимости групповых скоростей распространения волновых пакетов вдоль оптической оси структуры с заданными центральными частотами от величины скорости излучательной релаксации экситонов. На рисунке используются следующие обозначения:  - групповая скорость распространения светового импульса, заданная в единицах скорости света в вакууме. Остальные используемые на рисунке обозначения аналогичны таковым на фиг. 2. Для иллюстрации результатов в качестве примера выбрана структура, аналогичная таковой для фиг. 2.
0
0
На фиг. 4 представлена зависимость скорости излучательной релаксации экситонов Г от напряженности электрического поля F, приложенного вдоль роста структуры устройства (оси Z) в отсутствии иных факторов, оказывающих влияние на систему. На графике Го указана в безразмерных величинах. Величина Г=1 соответствует скорости излучательной релаксации экситонов в отсутствии электрического поля.
В основе полезной модели лежит структура чередующихся в одном пространственном направлении полупроводниковых слоев двух типов 1 и 2 на фиг. 1. В центры слоев одного типа встроены узкие прямоугольные полупроводниковые квантовые ямы 3 на фиг. 1. В настоящее время существует целый ряд отработанных технологий формирования структур такого типа, в том числе: метод эпитаксиального наращивания [Lee S.С, Dawson L.R., Brueck S.R. J. Epitaxial growth of a nanoscale, vertically faceted, one-dimensional, high-aspect ratio grating in III-V materials for integrated photonics // Applied Physics Letters. - 2005. - Vol. 87. - №7. - P. 071110-1 -071110-3], методы одно- и двухфотонной фотолитографии [Greiner С, Iazikov D., Mossberg Т.W. Integrated photonics based on planar holographic Bragg reflectors // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. - 2004. - Vol. 5554. - P. 169 - 173], литографии при помощи пучка ионов или электронов [Tiberio R.С., Porkolab G.A., Rooks М.J., [et al.] Facetless Bragg reflector surface-emitting AlGaAs/GaAs lasers fabricated by electron-beam lithography and chemically assisted ion-beam etching // Journal of Vacuum Science and Technology B. - 1991. - Vol. 9. - №6. - P. 2842 - 2845].
Характерная толщина полупроводниковых слоев - от нескольких десятков, до нескольких сотен нанометров. Характерная толщина квантовых ям - от нескольких нанометров до десятков нанометров. Материал и толщина полупроводниковых слоев выбираются таким образом, чтобы спектральный диапазон излучения, с которым устройство резонансного фотонного кристалла будет работать, попадал в разрешенную зону энергий фотонного кристалла. Материал и толщина квантовых ям выбираются таким образом, чтобы частота образующихся в них экситонов была близка к разрешенной зоне энергий фотонного кристалла. Следует отметить, что при работе с излучением в пределах четных (вторая, четвертая и т.д.) разрешенных зон энергии возможно обеспечение отрицательных углов преломления.
Габаритные размеры, а также форма сечения в плоскости, перпендикулярной оптической оси полезной модели, не регламентированы и могут диктоваться требованиями потенциального пользователя.
Устройство может работать в двух режимах - это режим управления направлением распространения электромагнитного излучения и режим управления групповой скоростью распространения светового импульса.
При работе устройства в режиме управления направлением распространения электромагнитного излучения входной плоскостью устройства выбирается плоскость XY, если в работе устройства не ставится задачей получение отрицательных углов преломления; при этом оптическая ось устройства совпадает с координатной осью Z. Если при использовании устройства необходимо получение отрицательных углов преломления, входной плоскостью выбирается плоскость XZ (либо эквивалентная ей плоскость YZ), при этом оптическая ось устройства совпадает с координатной осью Y (либо осью X соответственно).
0
К устройству прикладывается внешнее электрическое поле требуемой напряженности. Величина напряженности поля выбирается такой, чтобы в устройстве достигалась требуемая величина скорости излучательной релаксации экситонов Г, при которой обеспечивается требуемый угол преломления β.
На входную плоскость устройства под требуемым углом к оптической оси устройства (углом падения α) подается оптическое излучение, которое может представлять собой как оптический импульс - ограниченный по времени волновой пакет, - так и непрерывный по времени, но ограниченный в сечении оптический пучок.
Попадая в устройство, оптическое излучение преломляется под углом β и распространяется в устройстве до выходной плоскости. На
выходной плоскости прошедшее излучение преломляется под углом - β и выходит из устройства, при этом световой импульс либо пучок оказывается смещен относительно точки его входа в устройство в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства на величину Δ=L * tg[β], где L - размер устройства вдоль оптической оси. В результате, смещение А есть настраиваемая величина.
При работе устройства в режиме управления групповой скоростью распространения светового импульса входной плоскостью устройства выбирается плоскость XY; при этом оптическая ось устройства совпадает с координатной осью Z.
0
К устройству прикладывается внешнее электрическое поле требуемой напряженности. Величина напряженности поля выбирается такой, чтобы в устройстве достигалась требуемая величина скорости излучательной релаксации экситонов Г, при которой обеспечивается требуемая величина групповой скорости импульса .
На входную плоскость устройства строго в направлении оптической оси устройства подается оптический импульс. В результате связывания фотонов прошедшего в устройство электромагнитного поля с экситонами в квантовых ямах происходит формирование композитных квазичастиц экситон-поляритонов, групповая скорость которых сложным образом зависит от величины скорости излучательной релаксации экситонов.
Экситон-поляритонный волновой пакет распространяется в устройстве вдоль оптической оси к выходной плоскости. Из устройства световой импульс выходит с временной задержкой . В результате, задержка т есть настраиваемая величина.
Таким образом, полезная модель резонансного метаматериала соответствует новому фотонному устройству, обеспечивающему возможность изменения направления и скорости распространения электромагнитного излучения, эффективно работающему с электромагнитным излучением оптического диапазона и обладающему малым уровнем потерь энергии излучения.