RU177027U1

RU177027U1 - OPTICAL DIODE

Info

Publication number: RU177027U1
Application number: RU2017117499U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Калмыков; Павел Николаевич Мелентьев; Антон Евгеньевич Афанасьев; Владимир Исаакович Юсупов; Виктор Иванович Балыкин
Original assignee: Алексей Сергеевич Калмыков; Павел Николаевич Мелентьев; Антон Евгеньевич Афанасьев; Владимир Исаакович Юсупов; Виктор Иванович Балыкин
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-02-06

Abstract

Использование: для создания оптического диода. Сущность полезной модели заключается в том, что оптический диод состоит из подложки, фотонного кристалла, металлической пленки толщиной от 100 до 250 нм с массивом наноотверстий диаметром от 100 до 300 нм, фотонный кристалл изготовлен из чередующихся диэлектрических слоев из материала SiO₂ и материала Ta₂O₅, при этом количество пар слоев фотонного кристалла составляет от 50 до 150, а толщины слоев, соответственно, составляют 12±3 и 254±60 нанометров. Технический результат: обеспечение возможности повышения эффективности оптического диода. 3 илл.

Use: to create an optical diode. The essence of the utility model is that the optical diode consists of a substrate, a photonic crystal, a metal film with a thickness of 100 to 250 nm with an array of nanoholes with a diameter of 100 to 300 nm, the photonic crystal is made of alternating dielectric layers of SiO ₂ material and Ta ₂ material O ₅ , while the number of pairs of layers of the photonic crystal is from 50 to 150, and the layer thicknesses, respectively, are 12 ± 3 and 254 ± 60 nanometers. Effect: providing the possibility of increasing the efficiency of the optical diode. 3 ill.

Description

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.The utility model relates to applied science and technology, namely to optical devices, and can be used, in particular, in nanophotonics, optoelectronics, computer technology and fiber-optic communication systems.

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.An optical diode - a device with significantly different transmittances when light is transmitted in the forward and reverse directions, is an important component of most optical systems. It is used, for example, to create stable, narrow-band laser systems and in optical communication lines.

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.Known optical diode based on the Faraday effect (Aplet LJ, Carson JW A Faraday effect optical isolator // Applied Optics. - 1964. - T. 3. - No. 4. - C. 544-545.), Which uses magneto-optical materials. The main disadvantages of the known device are its large size, the need to use strong magnetic fields and sensitivity to mechanical vibrations.

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 TiO₂ и MgF₂ (данные материалы являются типичными для создания подобных интерференционных фильтров).The indicated drawback is devoid of the optical diode (Vasily V. Klimov and etc. Optical Tamm state and giant asymmetry of light transmission through an array of nanoholes), adopted as a prototype. The known device consists of a quartz substrate, a photonic crystal, a metal nanofilm with an array of nanoholes. A distinctive feature of the prototype is a photonic crystal consisting of layers of TiO ₂ and MgF ₂ (these materials are typical for creating such interference filters).

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.The known optical diode operates as follows. If light falls from the side of the photonic crystal, the optical Tamm state is effectively excited and a local increase in the intensity of the electromagnetic field in the plane of the nanofilm occurs, which allows one to obtain significant light transmission. In the event that light falls on the other side of the device, then diffraction by nanoholes does not provide optimal angles for the passage of light, and light passes through the device with strong attenuation.

Известное устройство имеет маленькие размеры (в поперечнике 10×10 мкм), что позволяет его использовать в нанофотонике, оптоэлектронике, компьютерной технике и в оптоволоконных системах связи.The known device has small dimensions (10 × 10 μm across), which allows it to be used in nanophotonics, optoelectronics, computer technology and fiber-optic communication systems.

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%).The main disadvantage of the known device is the low value of the transmittance asymmetry coefficient - the ratio of the intensity of light transmitted in the forward and reverse directions (in practice ~ 30 times) and the low transmittance in the forward direction (<1%).

Задача полезной модели заключается в повышении эффективности оптического диода, а, именно, в увеличении коэффициента асимметрии и коэффициента пропускания в прямом направлении.The objective of the utility model is to increase the efficiency of the optical diode, and namely, to increase the asymmetry coefficient and transmittance in the forward direction.

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 SiO₂ и материала Ta₂O₅, при этом количество пар слоев фотонного кристалла составляет от 50 до 150, а толщины слоев, соответственно, составляют 12 и 254 нанометров.The problem is solved by an optical diode, which consists of a substrate (1), a photonic crystal (2), a metal film (3) with an array of nanoholes (4). A distinctive feature of the utility model is the photonic crystal device and the physical principle on which the proposed implementation of the optical diode is based. The photonic crystal is made of alternating dielectric from SiO ₂ material and Ta ₂ O ₅ material, while the number of pairs of layers of the photonic crystal is from 50 to 150, and the layer thicknesses, respectively, are 12 and 254 nanometers.

На фигуре 1 показана блок-схема оптического диода: 1 - подложка, 2 - фотонный кристалл, 3 - металлическая пленка с массивом наноотверстий 4.The figure 1 shows a block diagram of an optical diode: 1 - substrate, 2 - photonic crystal, 3 - metal film with an array of nanoholes 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.Figure 2 shows the dependence of the light transmittance of the optical diode in the forward (5) and reverse (6) directions on the wavelength of the incident light. For clarity, the values of curve 6 are increased 10 times.

На фигуре 3 приведена зависимость коэффициента асимметрии оптического диода от длины волны падающего света.The figure 3 shows the dependence of the asymmetry coefficient of the optical diode on the wavelength of the incident light.

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.Achieving the claimed technical result, namely increasing the efficiency of the optical diode, which consists in increasing the asymmetry coefficient and increasing the transmittance in the forward direction, which occurs due to the fact that the claimed device uses three physical phenomena simultaneously: plasmon effects on nanoholes in a metal film, the interference of light in a photonic crystal and the effective reflection of light from a photonic crystal during perpendicular incidence. Technically, this is achieved by the fact that the inventive device uses a photonic crystal that is different in structure from the prototype, which explains its following properties: (i) the transmittance is close to 100% outside the band gap, (ii) a very low transmittance for wavelengths lying in the range of forbidden wavelengths, (iii) a sharp boundary between the allowed and forbidden zones.

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).The optical diode operates as follows. If the light is incident normally along the substrate side, then the radiation is attenuated due to reflection on the photonic crystal. In the event that the light falls normally along the other side - from the side of a metal film with an array of nanoholes, the light passing through the nanohole experiences diffraction and propagates in a large solid angle. Most of this radiation, propagating at a significant angle of inclination with respect to the normal of the photonic crystal, passes without attenuation due to the well-known effect of “clearing” of the photonic crystal (Raut N.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.Unlike the prototype, where another photonic crystal is used and another physical principle is the basis, the inventive device uses a photonic crystal with excellent properties, which can significantly increase direct transmission and significantly suppress the opposite.

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 Ta₂O₅, и низким, например, из материала SiO₂, 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).The specific technical design of the claimed device, namely, a substrate, a photonic crystal, a metal film with an array of nanoholes, are standard and their characteristics depend on the task, the required accuracy, wavelength and radiation power. A photonic crystal should have a sharp boundary between the allowed and forbidden zones, as well as a large contrast in the reflection and transmission coefficient. It can be made of dielectric layers with variable refractive indices: high, for example, from Ta ₂ O ₅ material, and low, for example, from SiO ₂ material, while the number of pairs of layers of a photonic crystal is from 50 to 150, and the layer thicknesses respectively, are 12 ± 3 and 254 ± 60 nanometers. The number of layers affects the reflection coefficient from the photonic crystal, which increases with increasing number of layers. The number of pairs of layers also determines the spectral range of the photonic crystal. To achieve the best values of the asymmetry coefficient of the diode, it is necessary to use a photonic crystal with a large reflection coefficient close to 100%. This requires several tens of layers (Schallenberg U. et al. Design and manufacturing of high-performance notch filters // SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. - International Society for Optics and Photonics, 2010. - P.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.The thickness of the metal film should be large enough so as not to let incident radiation pass onto the metal film outside the nanoholes. Moreover, this thickness should not be too large so that a significant amount of incident light penetrates through the nanoholes. The thickness of the metal film may be from 100 to 250 nm. The diameter of the nanohole is selected less than the wavelength of light and can range from 100 to 300 nm. The metal film may be made of gold or silver. Gold is the best option, due to the fact that it is more resistant to oxidation and sulfidation from contact with the surrounding atmosphere.

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.We have made and tested an experimental sample of an optical diode. The substrate was made of quartz and had a thickness of 1 mm. As a photonic crystal, Notch filter NF785-33 (ThorLabs) was used. The photonic crystal had the following parameters: the center of the forbidden zone of the photonic crystal is located at a wavelength of 783 nm, its spectral width is 20 nm.

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.The metal film was made of gold by thermal spraying and had a thickness of 200 nm. Arrays of nanoholes with a diameter of 150 nm were created in the gold film, which were located at a distance of 4 μm from each other. The supercontinuum broadband radiation, which is focused on the sample using a micro lens with a numerical aperture NA = 0.6, was used as a light source. The radiation transmitted through the sample was recorded using the same lens. The radiation at the output of the device was controlled using a standard spectrometer.

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%.The figure 2 shows the dependence of the transmittance of light by an optical diode in the forward (5) and reverse (6) directions on the wavelength of the incident light. As can be seen from the figure, the transmission spectrum is characterized by a band gap centered at a wavelength of 783 nm. Moreover, in the forward direction (5) there is no manifestation of the band gap of the photonic crystal due to the effect of its “bleaching”. The forward transmittance in the range of 770-800 nm is ~ 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,As can be seen from figure 3, the asymmetry coefficient of the optical diode strongly depends on the wavelength of the incident light. Moreover, in the wavelength range of incident light 770-800 nm, the asymmetry coefficient reaches 30,000,

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.Thus, the created optical diode made it possible to achieve the claimed technical result, namely, to increase the efficiency of the optical diode, which consists in increasing the asymmetry coefficient and transmittance in the forward direction.

Claims

An optical diode consisting of a substrate, a photonic crystal, a metal film from 100 to 250 nm thick with an array of nanoholes with a diameter from 100 to 300 nm, characterized in that the photonic crystal is made of alternating dielectric layers of SiO ₂ material and Ta ₂ O ₅ material, the number of pairs of layers of the photonic crystal is from 50 to 150, and the thicknesses of the layers, respectively, are 12 ± 3 and 254 ± 60 nanometers.