RU185920U1 - Узкоспектральный оптический фильтр - Google Patents
Узкоспектральный оптический фильтр Download PDFInfo
- Publication number
- RU185920U1 RU185920U1 RU2018129704U RU2018129704U RU185920U1 RU 185920 U1 RU185920 U1 RU 185920U1 RU 2018129704 U RU2018129704 U RU 2018129704U RU 2018129704 U RU2018129704 U RU 2018129704U RU 185920 U1 RU185920 U1 RU 185920U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- spectral
- resonance
- optical filter
- layer
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002836 resonant waveguide grating Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/203—Filters having holographic or diffractive elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1861—Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Оптический фильтр может быть использован для выделения узкого спектрального диапазона оптического излучения в оптических вычислителях, взаимосвязанных маршрутизаторах и при мультиплексировании / демультиплексировании с разделением по длине волны. Оптический фильтр состоит из подложки и субволновой резонансной решетки, выполненной в виде слоя с оптическим резонансом, спектральная ширина которого меняется в пространстве периодически как Δv(x)=Δv(x+L), где Δv - спектральная ширина оптического резонанса, L - период изменения спектральной ширины, х - координата по оси, направленной вдоль слоя с оптическим резонансом. Технический результат - увеличение спектральной селективности узкоспектрального оптического фильтра и уменьшение размера. 4 ил.
Description
Полезная модель относится к области оптических элементов, в частности к дифракционным решеткам, а именно к узкоспектральным оптическим фильтрам на основе дифракционных решеток, и может быть использована для выделения узкого спектрального диапазона оптического излучения в таких областях применения, как оптические вычисления, взаимосвязанные маршрутизаторы и мультиплексирование/демультиплексирование с разделением по длине волны.
Известен резонансный фильтр [1], представляющий собой фильтр на основе волновода и решетки, основанный на узкоспектральном пропускании при эффекте резонанса направленной волны в волноводе. Данное устройство позволяет осуществлять спектральную фильтрацию, однако требует использования дополнительного волноводного слоя, что увеличивает размер устройства и сложность его изготовления.
Известен оптический мультиплексор/демультиплексор на основе резонансных решеточных фильтров [2], основной составляющей частью которого являются спектральные решеточные фильтры, расположенные вдоль линии распространения света. К недостатку используемых фильтров следует отнести необходимость последовательной установки трех фильтров для достижения спектрального контраста, что увеличивает общую стоимость устройства.
Техническим решением, наиболее близким к заявленному устройству, является узкоспектральный оптический фильтр [3], принятый в качестве прототипа. Фильтр состоит из волновода и субволновой резонансной решетки, внедренной в данный волновод. Условия резонанса в этом устройстве выполняются при захвате распространяющейся поверхностной волны благодаря полному внутреннему отражению, при этом, отражения вне резонанса отсутствуют. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что они представляют собой узкоспектральный оптический фильтр, включающий в себя субволновую резонансную дифракционную решетку. В качестве областей применения фильтра указываются оптические вычисления, взаимосвязанные маршрутизаторы и мультиплексирование/демультиплексирование с разделением по длине волны.
Основным недостатком известного технического решения является недостаточная спектральная селективность узкоспектрального оптического фильтра, за счет чего увеличиваются перекрестные помехи между каналами при применении фильтра для мультиплексирования/демультиплексирования сигналов с разделением по длине волны. Кроме того, устройство обладает относительно высокой стоимостью, а также относительно большими размерами, в связи с необходимостью использования волновода, что затрудняет применение устройства в микроэлектронике.
Заявленная полезная модель свободна от указанных выше недостатков, и ее технический результат состоит в увеличении спектральной селективности узкоспектрального оптического фильтра, а также уменьшении размера и снижении стоимости устройства. Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной полезной модели в качестве узкоспектрального фильтра используется субволновая резонансная решетка, представляющая собой слой с оптическим резонансом, спектральная ширина которого периодически меняется в пространстве как Δν(x)=Δν(x+L), где Δν - спектральная ширина оптического резонанса, L - период изменения спектральной ширины, х - координата по оси, направленной вдоль слоя с оптическим резонансом.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется Фиг. 1 - Фиг. 4.
Схема заявленного устройства пояснена на Фиг. 1. Устройство состоит из трех слоев: на подложке 1 расположен слой с оптическим резонансом 2 толщиной d, который может быть закрыт покрывающим слоем 3. Оптический резонанс в слое 2 имеет центральную частоту ν0 и спектральную ширину Δν. Спектральная ширина меняется периодически вдоль оси х в соответствии с законом Δν(x)=Δν(x+L), где Δν - ширина оптического резонанса, L - период изменения спектральной ширины, х - координата по оси, направленной вдоль слоя с оптическим резонансом.
Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. На устройство из верхнего полупространства падает плоская световая волна с частотой ν и интенсивностью I0. Свет проходит покрывающий слой и попадает на слой с оптическим резонансом. В условиях несовпадения частоты ν с частотой ν0 свет беспрепятственно проходит через устройство.
При условии приближения ν к ν0 свет рассеивается на слое с оптическим резонансом из-за пространственной неоднородности его спектральной ширины Δν. Пространственная периодичность Δν приводит к формированию рассеянной электромагнитной волны, содержащей зеркальную компоненту с интенсивностью IR, а также дифракционный рефлекс с интенсивностью ID. Дифракционная эффективность определяется следующим образом: KD = ID/I0. Резонансная дифракционная эффективность KRD вводится как дифракционная эффективность на частоте ν0: KRD = KD(ν0). Выбор периода L и толщины d позволяет задать количество, направление и KRD дифракционных рефлексов. Таким образом, достигается выделение узкого спектрального диапазона оптического излучения вблизи частоты ν0, и перенаправление его под необходимым углом.
На Фиг. 2 приведен график зависимости дифракционной эффективности KD, отложенной по оси ординат, от отложенной по оси абсцисс частоты света ν, выраженной в ТГц, полученный путем теоретического моделирования. Моделирование проводилось для слоя с ν0 = 365.175 ТГц, периодом решетки L = 800 нм. Закон изменения спектральной ширины Δν(x) был принят как изменение неоднородной ширины оптического резонанса в виде меандра с коэффициентом заполнения 50%. Фоновые показатели преломления слоев 1, 2 и 3 приняты равными 3.5, угол падения равен углу Брюстера для границы раздела вакуума и слоя 3, падающий свет поляризован в плоскости падения. Радиационная ширина оптического резонанса принята равной 0,0085 ТГц, неоднородное уширение 0,024 ТГц, дополнительное неоднородное уширение в полосах 0,012 ТГц.
Моделирование проводилось для первого дифракционного рефлекса. При моделировании структура считалась бесконечной в плоскости, а слои 1 и 3 - полубесконечными.
На Фиг. 3 показана зависимость теоретически рассчитанного спектрального контраста С, отложенного по оси ординат, от отстройки от резонанса δν = ν - ν0, отложенной по оси абсцисс и выраженной в ТГц. Спектральный контраст был определен следующим образом: C(δν) = KRD / KD(ν0±δν). Параметры структуры, использованные в моделировании, совпадают с приведенными выше.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: была достигнута высокая спектральная селективность узкоспектрального оптического фильтра. Как показали результаты апробации, которые представлены примером, устройство демонстрирует выделение узкого спектрального диапазона с высоким контрастом.
Пример. На Фиг. 4 показана полученная в результате эксперимента зависимость дифракционной эффективности KD, отложенная по оси ординат, от частоты света ν, отложенной по оси абсцисс и выраженной в ТГц. Эксперимент был проведен на образце, в котором в качестве слоя 2 использовалась квантовая яма из материала In0.015Ga0.985As толщиной d = 4.4 нм, а в качестве слоев 1 и 3 - слои GaAs. Температура образца в ходе эксперимента была равна 10 К. Измерения проводились вблизи частоты резонанса экситона с тяжелой дыркой ν0 = 365.224 ТГц. Закон изменения спектральной ширины Δν(x) аналогичен описанному выше для теоретической модели, со следующими параметрами: период решетки L=805 нм, ширина полос d=400 нм, фоновый показатель преломления слоев равен 3.59, угол падения 74°, падающий свет поляризован в плоскости падения. Радиационная ширина резонанса равна 0.0085 ТГц, неоднородное уширение равно 0.024 ТГц, дополнительное неоднородное уширение сформировано путем введения дополнительных вакансий в полосах. В эксперименте детектировался спектр первого дифракционного рефлекса KD(ν). Приведенный на Фиг. 4 спектр демонстрирует выделение узкого спектрального диапазона с высоким контрастом, что подтверждает применимость предложенной полезной модели.
Технико-экономическая эффективность заявленной модели состоит в том, что предлагается узкоспектральный оптический фильтр, позволяющий при меньших затратах и размере (устройство не содержит волновода), достичь большей спектральной селективности фильтра в два раза по сравнению с прототипом за счет высокого спектрального контраста используемой субволновой решетки. Увеличение спектрального контраста позволит увеличить плотность информационных каналов при использовании фильтра для мультиплексирования/демультиплексирования с разделением по длине волны, что приведет к кратному снижению стоимости услуг операторов телематической связи.
Список использованной литературы:
1. Debra D. Wawro; Sorin Tibuleac; Robert Magnusson // Resonant Waveguide-Grating Filters And Sensors And Methods For Making And Using Same // Патент США US 007167615 B1, 23.01.2007.
2. Eric B. Grann; L. Curtis Maxey; // Optical Multiplexer/Demultiplexer using Resonant Grating Filters // Патент США US 006212312 B1, 03.04.2001.
3. Eric B. Grann; David N. Sitter, Jr. // Integrated Narrowband Optical Filter Based On Embedded Subwavelength Resonant Grating Structures // Патент США US 006035089 A, 07.03.2000.// (Прототип)
Claims (1)
- Узкоспектральный оптический фильтр, состоящий из подложки и субволновой резонансной решетки, отличающийся тем, что резонансная решетка выполнена в виде слоя с оптическим резонансом, спектральная ширина которого меняется в пространстве периодически как Δv(x)=Δv(x+L), где Δv - спектральная ширина оптического резонанса, L - период изменения спектральной ширины, х - координата по оси, направленной вдоль слоя с оптическим резонансом.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018129704U RU185920U1 (ru) | 2018-08-13 | 2018-08-13 | Узкоспектральный оптический фильтр |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018129704U RU185920U1 (ru) | 2018-08-13 | 2018-08-13 | Узкоспектральный оптический фильтр |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU185920U1 true RU185920U1 (ru) | 2018-12-24 |
Family
ID=64754010
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018129704U RU185920U1 (ru) | 2018-08-13 | 2018-08-13 | Узкоспектральный оптический фильтр |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU185920U1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6035089A (en) * | 1997-06-11 | 2000-03-07 | Lockheed Martin Energy Research Corporation | Integrated narrowband optical filter based on embedded subwavelength resonant grating structures |
US6212312B1 (en) * | 1999-09-17 | 2001-04-03 | U.T. Battelle, Llc | Optical multiplexer/demultiplexer using resonant grating filters |
US20070071061A1 (en) * | 2003-12-24 | 2007-03-29 | Giulia Pietra | Tunable resonant grating filters |
US7218817B2 (en) * | 2003-06-02 | 2007-05-15 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Nonlinear optical guided mode resonance filter |
US7729573B2 (en) * | 2005-02-14 | 2010-06-01 | Corning Incorporated | Single mode (SM) fiber optical reader system and method for interrogating resonant waveguide-grating sensor (S) |
-
2018
- 2018-08-13 RU RU2018129704U patent/RU185920U1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6035089A (en) * | 1997-06-11 | 2000-03-07 | Lockheed Martin Energy Research Corporation | Integrated narrowband optical filter based on embedded subwavelength resonant grating structures |
US6212312B1 (en) * | 1999-09-17 | 2001-04-03 | U.T. Battelle, Llc | Optical multiplexer/demultiplexer using resonant grating filters |
US7218817B2 (en) * | 2003-06-02 | 2007-05-15 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Nonlinear optical guided mode resonance filter |
US20070071061A1 (en) * | 2003-12-24 | 2007-03-29 | Giulia Pietra | Tunable resonant grating filters |
US7729573B2 (en) * | 2005-02-14 | 2010-06-01 | Corning Incorporated | Single mode (SM) fiber optical reader system and method for interrogating resonant waveguide-grating sensor (S) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7086239B2 (ja) | 可変光学フィルターおよびそれに基づく波長選択型センサー | |
KR101443728B1 (ko) | 하이브리드 도파-모드 공진 필터 및 분포 브래그 반사를 채용하는 방법 | |
CA2811542C (en) | Spectral band-pass filter having high selectivity and controlled polarization | |
CN108731806B (zh) | 光学滤波器、光谱仪和光学设备 | |
US20150118124A1 (en) | Structural colorimetric sensor | |
JP2011528136A5 (ru) | ||
JP2006138842A (ja) | 金属光フィルタを用いた検出装置及び検出方法 | |
US9417394B2 (en) | Spectrally dense comb-like filters fashioned with thick-guided-mode resonant gratings | |
KR102020956B1 (ko) | 광학필터 및 이를 이용한 광학 디바이스 | |
Barkat | Theoretical investigation of transmission and dispersion properties of one dimensional photonic crystal | |
CN111141385B (zh) | 窄带透射滤波器及片上光谱分析与成像系统 | |
US4501470A (en) | Christiansen-Bragg optical filter | |
RU185920U1 (ru) | Узкоспектральный оптический фильтр | |
Parsons et al. | Brillouin scattering from porous silicon-based optical Bragg mirrors | |
Renilkumar et al. | Properties of defect modes in geometrically chirped one-dimensional photonic crystals | |
JP5868398B2 (ja) | サブ波長スケールでの構造化膜を有するスペクトルフィルタおよびそのようなフィルタの製造方法 | |
FR2841658A1 (fr) | Dispositif de couplage optique directionnel et selectif en longueur d'onde | |
CN103959116A (zh) | 谐振器优化 | |
CN214703325U (zh) | 开口环阵列的GHz多频带高Q值透射型传感器 | |
Banerji et al. | Analytical Computation of Density of States of One-Dimensional Photonic Crystal under Polarized Incident Wave for Different Materials‖ | |
CN116577859A (zh) | 一种红外滤光片 | |
Zhang et al. | Design and Analysis of Multilayered Waveguide Structure with Metal-Dielectric Gratings for Sensing with Reflection Narrowband Notch Filter | |
Zhao et al. | Terahertz functional devices based on the metamaterials of artificial structures | |
RU138050U1 (ru) | Поляризационно-чувствительный интерференционный фильтр на основе нанокомпозита | |
Ciminelli et al. | 2D guided-wave photonic band gap single and multiple cavity filters |