ОПТИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к области физики и служит для достижения эффективной фильтрации распространяющихся по волноводу мод. Фильтр может быть использован для подавления определенных мод оптического волновода из требуемого диапазона частот, распространяющихся от источника излучения к приемнику. Такие фильтры будут полезными, например, для создания эффективных систем управления сигналами в оптических интегральных схемах.
Подобные фильтры хорошо зарекомендовали себя в качестве эффективных элементов для маршрутизации, переключения и пространственного управления электромагнитными сигналами в телекоммуникационных системах в ближней инфракрасной области спектра.
a
а
а
а
В оптическом диапазоне спектра известен волноводный фильтр на основе фотонных кристаллов (Патент: US 6130969 А, дата публикации 10.10.2000). Фильтр включает в себя резонатор, расположенный между двумя волноводами. Фильтр выполнен на основе двумерного фотонного кристалла, состоящего из квадратной решетки столбиков, изготовленных из материала с диэлектрической проницаемостью ε=11.56, с радиусом R=0.2, имеющей характерный период , величина которого подбирается исходя из требуемого рабочего диапазона спектра - ≈0.34λ, где λ это длина волны в центре рабочего диапазона фильтра. Волноводы создаются за счет удаления всего ряда столбиков, находящихся на некоторой линии, а резонатор за счет изменения радиуса и диэлектрической проницаемости одного из столбиков. Фильтр позволяет достигать 100% передачи сигнала между двумя волноводами на определенных частотах, при этом запрещая передачу сигналов на других частотах. Недостатком данного фильтра являются существенные линейные размеры поперечного сечения, которые составляют 15, т.е. более 5 рабочих длин волн.
а
a
a
a
Известен волноводный фильтр на основе фотонных кристаллов [X. Yang, С.Husko, C.W. Wong, М. Yu, D-L. Kwong, "Observation of femtojoule optical testability involving Fano resonances in high-Q/V silicon photonic crystal nanocavities", Applied Physics Letters, vol. 91, pp. 051113 (2007)]. Структура состоит из волновода и связанного с ним резонатора, выполненных на основе фотонного кристалла - двумерной треугольной решетки отверстий с радиусами r=0.29, расположенных с периодом =420 нм, проделанных в слое кремния толщиной d=0.6, расположенного на подложке из оксида кремния. Волновод был создан в виде линейного дефекта в фотонном кристалле, за счет отсутствия всех отверстий, расположенных на некоторой выбранной линии, а резонатор - за счет отсутствия 5 отверстий, расположенных на одной линии, и сдвиге крайних отверстий на расстояние S=0.02. Такой фильтр был разработан для пространственного управления оптическими сигналами и переключений каналов связи в оптических интегральных схемах. Недостатками данного оптического волноводного фильтра на основе фотонного кристалла являются существенные линейные размеры его поперечного сечения, которые диктуются условием Брэгговского отражения, требующего наличия как минимум нескольких рядов элементов фотонного кристалла. В оптическом диапазоне поперечные размеры такого фильтра составляют более 4 мкм.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является оптический волноводный фильтр на основе диэлектрических наночастиц [R.S. Savelev, D.S. Filonov, M.I. Petrov, A.E. Krasnok, P.A. Belov, and Yu.S. Kivshar, "Resonant transmission of light in chains of high-index dielectric particles", Phys. Rev. B, vol. 92, pp. 155415 (2015)]. Фильтр состоит из волновода и связанного с ним резонатора. Волновод реализуется в виде цепочки диэлектрических наночастиц сферической формы, расположенных на одной прямой. Резонатор представляет из себя наночастицу сферической формы и располагается вблизи волновода. Такой волноводный фильтр работает на основе возбуждения распространяющейся волноводной модой локализованной моды резонатора, которая в свою очередь является вторичным источником, возбуждающим дополнительную моду в волноводе. Деструктивная интерференция распространяющейся и вторичной рассеянной мод в направлении распространения обеспечивается соответствующей разностью фаз между этими двумя модами. Недостатками известного оптического волноводного фильтра на основе массивов кремниевых наночастиц является существенный размер диапазона частот, в котором фильтруются волноводные моды. Это делает невозможным использование таких фильтров в ряде приложений, в которых необходима фильтрация волноводных мод из более узкого диапазона частот.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является уменьшение фильтруемого диапазона частот.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении селективности резонатора.
Данный технический результат достигается тем, что оптический волноводный фильтр, состоящий из оптического волновода, выполненного в виде цепочки наночастиц, и расположенного вблизи волновода резонатора, выполненного в виде наночастицы сферической формы с радиусом R, изготовленных из диэлектрического материала с высоким показателем преломления n>2, отличается тем, что радиус диэлектрической наночастицы связан с показателем преломления и рабочей длиной волны λ соотношением R=0.9λ/n.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве материальной составляющей диэлектрической наночастицы субволнового размера используются диэлектрические материалы с высоким значением показателя преломления n. В качестве примера таких материалов можно указать кремний. При взаимодействии сферической диэлектрической наночастицы с внешним оптическим излучением в диапазоне длин волн меньших величины 2nR в ней наводятся колеблющиеся магнитные и электрические мультипольные моменты различных порядков, которые создают рассеянное электромагнитное поле. При этом на расстояниях от наночастицы много меньших длины волны излучения (в ближней зоне) существенные значения напряженности поля имеют только затухающие электромагнитные волны (эванесцентное поле). Эффективность возбуждения определенного мультипольного момента в наночастице зависит от свойств возбуждающей его моды, а характер рассеяния наночастицей электромагнитного поля зависит от ее окружения. При размещении наночастицы вблизи дискретного волновода распространяющиеся по волноводу моды наводят в ней колеблющийся магнитный октупольный момент при условии, что частота распространяющейся моды близка к частоте магнитного октупольного резонанса наночастицы. Наведенный октупольный момент рассеивает электромагнитное поле преимущественно в волноводную моду дискретного волновода таким образом, что распространяющаяся и рассеянная волноводные моды деструктивно интерферируют друг с другом. В таком режиме наночастица функционирует как фильтр, подавляющий распространение волноводных мод в диапазоне частот вблизи резонанса наночастицы. За счет использования магнитного октупольного резонансного отклика в наночастице радиуса R=0.9λ/n (где λ это длина волны) большего, чем радиус наночастицы, используемой в наиболее близком аналоге R=0.7λ/n, фильтруемый частотный диапазон данного оптического волноводного фильтра получается меньше, чем соответствующий диапазон у наиболее близкого аналога.
Соотношение, накладывающее ограничение на радиус наночастицы и показатель преломления материала, из которого она изготовлена, R=0.9λ/n обосновывается условием возбуждения резонанса Ми, соответствующего магнитному октупольному моменту, в диэлектрической частице сферической формы и заданным значением длины волны в центре рабочего спектрального диапазона. При этом показатель преломления должен превышать значение n=2. В оптическом диапазоне этому условию удовлетворяют несколько различных диэлектрических материалов. В качестве примера таких материалов можно привести кремний Si с показателем преломления n=3.95 на длине волны 600 нм. Условие R=0.9λ/n, налагаемое на радиус сферической наночастицы R и показатель преломления n, определяется известным решением Ми для рассеяния электромагнитного излучения на сферической частице. При этом, согласно расчетам, селективность резонатора при возбуждении в нем магнитного октупольного момента увеличивается в 6 раз, по сравнению со случаем возбуждения магнитного квадрупольного момента. Условие, накладываемое на максимальное значение расстояния между наночастицей и волноводом d<λ/2 следует из необходимости рассеяния наночастицей излучения в одну из мод волновода, нежели в окружающее пространство.
Оптический фильтр работает следующим образом. Наводимый в боковой наночастице распространяющейся волноводной модой осциллирующий магнитный октупольный момент создает рассеянное поле, которое в свою очередь наводит магнитные дипольные моменты в ближайших частицах, из которых составлен дискретный волновод. За счет подобного процесса многократного рассеяния устанавливается стационарный режим работы фильтра, в котором рассеянное поле представляет собой сформировавшуюся собственную волноводную моду дискретного волновода. При этом распространяющаяся по волноводу мода и волноводная мода, возбуждаемая рассеянным полем, колеблются с разностью фаз равной 180° на частоте магнитного октупольного резонанса боковой частицы, что и обеспечивает фильтрацию данной моды. При отдалении по частоте от резонанса разность фаз меняется до 0, а величина наводимого момента становится пренебрежимо малой, что обеспечивает полное прохождение волноводных мод в остальной части спектра.
a
В качестве примера конкретной реализации предлагается система, состоящая из дискретного кремниевого волновода, выполненного в виде цепочки кремниевых наночастиц сферической формы, и резонатора, выполненного в виде одиночной кремниевой наночастицы большего радиуса. В оптическом диапазоне спектра кремний имеет показатель преломления от 3.75 до 4.5. В этом случае возможные параметры системы: радиус кремниевых наночастиц, составляющих волновод, r=70 нм, период волновода =170 нм, радиус боковой частицы R=160 нм, расстояние между центром боковой частицы и осью волновода d=250 нм. При данных параметрах конкретная реализация оптического фильтра будет функционировать в узком диапазоне длин волн около 5 нм вблизи резонансной длины волны λ=700 нм. Фильтруемый спектральной диапазон в данной конкретной реализации оптического волноводного фильтра в 6 раз меньше, чем соответствующий диапазон наиболее близкого аналога, составляющий около 30 нм.