Оптический элемент модулятора
Оптический элемент модулятора относится к нанофотонике и может найти применение при создании оптических модуляторов с субтерагерцовой частотой модуляции света (до 1011 Гц), а также интегральных элементов оптоэлектронных систем. Оптический элемент модулятора содержит выращенную на оптически прозрачной подложке (1) пленку трехмерного фотонно-фононного кристалла (2) из синтетического опала, сформированного из сфер (3) аморфного кремнезема (a-SiO2) диаметром от 100 до 500 нм, на поверхность которой нанесен гиперзвуковой преобразователь (6) в виде металлической пленки толщиной 50-200 нм. Оптический элемент модулятора позволяет эффективно модулировать интенсивность светового потока с частотой до 1011 Гц. 11 з.п., 3 илл.
Полезная модель относится к технике нанофотоники и может найти применение при создании оптических модуляторов с субтерагерцовой частотой модуляции света (до 1011 Гц), а также интегральных элементов оптоэлектронных систем, которые используются для высокочастотной модуляции оптических сигналов в линиях связи, оптоэлектронных устройствах и научно-исследовательских установках.
Разработка устройств для модуляции света на основе фотонных кристаллов активно ведется в настоящее время. Это связано с уникальными свойствами фотонных кристаллов, которые позволяют эффективно управлять световыми потоками за счет возможности выделения из широкого спектра узкой спектральной полосы, выбора заданного направления распространения светового потока или его интенсивности. Также важным является отработанная технология создания миниатюрных двумерных и трехмерных фотонных кристаллов с заданными оптическими свойствами.
Известен оптический элемент высокоскоростного модулятора (см. заявка US 20040150873, МПК G02F 1/00, опубликована 05.08.2004) в виде кремниевого двумерного фотонного кристалла, формирующего волновод, содержащий двумерный пространственный дефект, выполняющий функцию резонатора для электромагнитного излучения. Свет с длиной волны, соответствующей оптической моде дефекта, проходит через волновод. Модуляция интенсивности проходящего света осуществляется за счет модуляции оптических свойств дефекта и, соответственно, модуляции резонансной длины волны. Модуляция свойств дефекта осуществляют путем контролируемого управления плотностью носителей в содержащем дефект слое путем приложения внешнего электрического поля.
К недостаткам такого решения можно отнести узкий спектральный диапазон модулируемого излучения, определяемый параметрами волновода и дефекта, а также существенные ограничения в частоте модуляции, связанные с необходимостью приложения электрического поля.
Известен оптический элемент модулятора с фотонной запрещенной зоной (см. заявка РСТ 
WO2005116750, МПК G02F 1/21, опубликована 08.12.2005). Элемент представляет собой два фотонных кристалла с пространственным планарным дефектом между ними с толщиной кратной длине волны света. Модуляция осуществляется путем изменения показателя преломления в слое дефекта за счет приложения электрического поля и изменения плотности носителей.
Известный оптический элемент имеет узкую спектральную полосу и ограничение по частоте модуляции, связанное с необходимостью приложения напряжения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по числу существенных признаков является оптический элемент модулятора (см. заявка JP 2007-171422, МПК G02F 1/035, опубликована 05.07.2007), который был выбран в качестве прототипа. Оптический элемент выполнен в виде выращенного на кремниевой подложке трехмерного фотонного кристалла из двух материалов с разными показателями преломления. В этом устройстве модулируется свет, проходящий через фотонный кристалл, свойства которого изменяются под внешним воздействием электрического поля.
Оптический элемент-прототип имеет ограничение по частоте модуляции, обусловленное необходимостью приложения напряжения.
Задачей заявляемого технического является создание такого оптического элемента, который бы позволял осуществлять модуляцию светового потока с частотой до 10 11 Гц.
Поставленная задача решается тем, что оптический элемент модулятора включает выращенную на прозрачной подложке пленку трехмерного фотонно-фононного кристалла из синтетического опала, сформированного из сфер аморфного кремнезема (a-SiO 2) диаметром от 100 до 500 нм. На поверхность трехмерного фотонно-фононного кристалла нанесен гиперзвуковой преобразователь в виде металлической пленки толщиной 50-200 нм.
Пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла может состоять из 5-20 слоев сфер a-SiO2.
Пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла может содержать по меньшей мере один точечный дефект.
Пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла может содержать по меньшей мере один линейный дефект.
Пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла может содержать по меньшей мере один двумерный дефект.
Оптически прозрачная подложка может быть выполнена, например, из стекла или из кварца.
Пространство между сферами a-SiO2 может быть заполнено различными наполнителями (металлом, полупроводником, жидкостью), у которых показатель преломления и акустический импеданс существенно отличаются от соответствующих параметров a-SiO2. Тем самым достигается изменение оптического и акустического контраста материалов формирующих трехмерный фотонно-фононный кристалл и, соответственно, условий определяющих распространение гиперзвуковых и электромагнитных волн в трехмерном фотонно-фононный кристалле.
В заявляемом оптическом элементе модулятора модуляция интенсивности отраженного света осуществляется за счет долгоживущих локализованных высокочастотных упругих колебаний. Большое время жизни высокочастотных колебаний обусловлено наличием в используемом кристалле полной запрещенной фононной зоны. Такой оптический элемент позволяет осуществлять модуляцию светового потока с частотой до 10 11 Гц путем изменения интенсивности его отражения. При этом важным фактором является миниатюрность оптического элемента и предельная простота конструкции. В заявляемом оптическом элементе периодическая пространственная модуляция диэлектрической проницаемости приводит к возникновению фотонных стоп-зон в выделенных кристаллографических направлениях. Электромагнитное излучение с длиной волны, лежащей в пределах фотонной стоп-зоны, не может распространяться в фотонном кристалле в заданном направлении. В результате в спектрах отражения для света, отражающегося от поверхности пленки, наблюдается спектральная полоса, соответствующая фотонной стоп-зоне. Спектральное положение полосы, ее спектральная ширина и коэффициент отражения зависят от диаметра сфер, средней диэлектрической проницаемости структуры, контраста диэлектрических проницаемостей оксида кремния и материала, заполняющего пространство между сферами, числа слоев и могут быть вычислены методом двумерного зонного смешивания (см. D.A.Mazurenko, R.Kerst, J.I.Dijkhuis. A.V.Akimov, V.G.Golubev, D.A.Kurdyukov, A.B.Pevtsov, A.V.Sel'kin, Ultrafast optical switching in three-dimensional photonic crystals. Phys. Rev. Lett., v.91, 21, 213903, 2003) или в приближении планарной слоисто-периодической среды (см. G.M.Gajiev, V.G.Golubev, D.A.Kurdyukov, A.V.Medvedev, A.B.Pevtsov, A.V.Sel'kin, V.V.Travnikov, Bragg reflection spectroscopy of opal-like photonic crystals. Phys. Rev. B, v.72, 20, 205115, 2005). Подбор фотонно-кристаллических параметров определяет спектральную область (от ультрафиолетовой до инфракрасной) в которой лежат длины волн света, интенсивность отражения которого может быть промодулирована с использованием заявляемого оптического элемента. Свойства пленочного синтетического опала, как фотонно-фононного кристалла, задаются периодической пространственной модуляцией акустического импеданса, что приводит к возникновению полных запрещенных зоны для акустических колебаний. Акустические колебания с частотой, лежащей в пределах запрещенной зоны, не могут распространяться в структуре. Спектральное положение и ширина фононной запрещенной зоны также зависят от диаметра сфер a-SiO2, коэффициента их спекания и контраста акустического импеданса между компонентами, формирующими кристалл. Характеристики запрещенной фононной зоны для заданных параметров пленки синтетического опала могут быть вычислены методом конечных разностей во временной области (Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method, см. A.Taflove S.C.Hagness. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Artech: Norwood, MA (2000). 1038 p.). При диаметрах сфер от 100 до 500 нм характерные частоты фононной запрещенной зоны лежат в области 1-100 ГГц. При создании в кристалле акустической волны гиперзвуковой частоты возникают коллективные или индивидуальные колебания сфер оксида кремния. Это, в свою очередь, приводит к модуляции параметров кристалла, определяющих его оптические свойства и, соответственно, к изменению параметров фотонных стоп-зон. Таким образом, изменяется положение и ширина спектральной полосы в спектре отражения, а также коэффициент отражения. Следовательно, интенсивность отраженного от синтетического опала света с длиной волны, лежащей в пределах фотонной стоп-зоны, будет модулироваться во времени с частотой упругих колебаний кристалла. Более того, в случае, если частота собственных резонансных колебаний фотонно-фононного кристалла, к которым могут относиться поверхностные колебания или колебания, связанные с каким-либо точечным, линейным или двумерным пространственным дефектом (отсутствием соответствующего количества сфер), лежит в пределах фононной запрещенной зоны, время затухания таких колебаний будет аномально долгим. Таким образом, также долгой будет модуляция интенсивности отражения. При этом частота модуляции будет постоянной. Для генерации гиперзвуковых колебаний в пленке синтетического опала используется гиперзвуковой оптоакустический преобразователь - нанесенная на поверхность кристалла металлическая пленка толщиной 50-200 нм. Преобразователь возбуждается световыми импульсами с длительностью до 1 пс и энергией возбуждения 0,1-20 мДж/см 2. Вследствие быстрого термического расширения преобразователя под действием светового импульса возникает пикосекундный импульс деформации с амплитудой до 10-3 относительных единиц, который передается в синтетический опал. Импульс деформации является когерентным волновым пакетом акустических колебаний с широким спектром и предельной частотой до 1 ТГц. Из этого широкого спектра выделяются собственные резонансные колебания кристалла, частота и время жизни которых определяется его структурными параметрами. Колебания кристалла приводят к модуляции света, отраженного от пленки со стороны, противоположной гиперзвуковому преобразователю, как описано выше.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом,
где на фиг.1 показана схема заявляемого оптического элемента;
на фиг.2. приведен модулированный оптический сигнал, полученный с использованием заявляемого оптического элемента;
на фиг.3 дан частотный спектр модулированного оптического сигнала.
Оптический элемент модулятора на основе трехмерного фотонно-фононного кристалла (см. фиг.1) состоит из оптически прозрачной подложки 1, например, кварцевой или стеклянной, на которой, например, методом жидкофазной коллоидной эпитаксии выращена пленка 2 синтетического опала с диаметром сфер a-SiO2 3 100-500 нм. Пленка 2 трехмерного фотонно-фононного кристалла может состоять из 5-20 слоев сфер a-SiO2. Пространство между сферами 4 может быть заполнено воздухом, металлом, полупроводником или жидкостью, у которых показатель преломления и акустический импеданс существенно отличается от соответствующих параметров a-SiO2. Тем самым достигается изменение оптического и акустического контраста материалов формирующих трехмерный фотонно-фононный кристалл и, соответственно, условий определяющих процессы распространения гиперзвуковых и электромагнитных волн в трехмерном фотонно-фононном кристалле. Кристалл может содержать структурный дефект 5 (точечный, линейный или двумерный) в зависимости от необходимых параметров модуляции. На поверхность кристалла нанесен гиперзвуковой преобразователь 6 - металлическая пленка толщиной 50-200 нм.
Оптический элемент модулятора действует следующим образом. Импульс света 7 с длиной волны в диапазоне 200-2000 нм и длительностью от 50 фс до 1 пс возбуждает гиперакустический преобразователь 6. Плотность энергии возбуждения преобразователя должна лежать в пределах 0,5-10 мДж/см2. Созданные таким образом гиперзвуковые колебания сфер a-SiO2 модулируют интенсивность светового потока 9, который формируется за счет зеркального отражения светового потока 8, прошедшего через подложку 1. Длина волны светового потока 8 должна лежать в пределах фотонной стоп-зоны, формируемой в направлении перпендикулярном ростовой поверхности синтетического опала.
Пример. Был изготовлен опытный образец высокочастотного оптического модулятора. На кварцевой подложке толщиной 1 мм и площадью 10×3 мм2 методом жидкофазной коллоидной эпитаксии (P.Jiang, J.F.Bertone, К.S.Hwang, and V.L.Colvin, Chem. Mater., 1999, 11 (8), pp 2132-2140 
Single-Crystal Colloidal Multilayers of Controlled Thickness
) была выращена пленка синтетического опала, сформированная из сфер a-SiO2 диаметром 370 нм. Число монослоев сфер в направлении (111), перпендикулярном ростовой поверхности опала, составляло 5. Коэффициент спекания сфер (взаимопроникновение сфер друг в друга) составлял 4,6×10-3. Спектральное положение центра фотонной стоп-зоны при нормальном падении света на поверхность опаловой пленки составляло 810 нм при ширине 136 нм (полная ширина на половине высоты). Расчетная центральная частота фононной запрещенной зоны 7,6 ГГц при полной ширине зоны в 1,8 ГГц. Параметры структуры были подобраны таким образом, что частота поверхностных колебаний пленки составляла 7,5 ГГц и лежала в пределах запрещенной фононной зоны. На поверхность кристалла методом магнетронного распыления был нанесен гиперзвуковой преобразователь - алюминиевая пленка толщиной 100 нм. Осуществлялась модуляция интенсивности отраженного лазерного луча с длиной волны 800 нм. Углы падения и отражения составляли 13°. Гиперзвуковой преобразователь возбуждался импульсом лазера с длиной волны 800 нм, длительность импульса составляла 200 фс, плотность энергии возбуждения - 2 мДж/см2. Сигнал, представляющий временную модуляцию интенсивности отраженного от кристалла света, показан на фиг.2. Длительность модуляции составила 2 нс, основная частота модуляции - 7,5 ГГц, относительная глубина модуляции - 10 -4, относительная глубина модуляции к когерентному изменению коэффициента отражения кристалла - 10-1. Модулированный оптический сигнал (модуляция интенсивности отражения) показан на фиг.2. На фиг.3 показан Фурье-спектр осцилляции сигнала, в котором наибольшая спектральная плотность соответствует частоте 7,5 ГГЦ, что совпадает с частотой поверхностных колебаний кристалла и соответствует фононной запрещенной зоне.
1. Оптический элемент модулятора, включающий выращенную на оптически прозрачной подложке пленку трехмерного фотонно-фононного кристалла из синтетического опала, сформированного из сфер аморфного кремнезема (a-SiO2) диаметром от 100 до 500 нм, на поверхность которой нанесен гиперзвуковой преобразователь в виде металлической пленки толщиной 50-200 нм.
2. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла состоит из 5-20 слоев сфер а-SiO2.
3. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла содержит, по меньшей мере, один точечный дефект.
4. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла содержит, по меньшей мере, один линейный дефект.
5. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пленка трехмерного фотонно-фононного кристалла содержит, по меньшей мере, один двухмерный дефект.
6. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что прозрачная подложка выполнена из стекла.
7. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что прозрачная подложка выполнена из кварца.
8. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пространство между сферами a-SiO2 заполнено металлом.
9. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пространство между сферами a-SiO2 заполнено полупроводником.
10. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пространство между сферами a-SiO2 заполнено жидкостью, показатель преломления которой отличается от показателя преломления a-SiO 2.
11. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пространство между сферами a-SiO2 заполнено этиленгликолем.
12. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пространство между сферами a-SiO2 заполнено глицерином.
