RU201507U1

RU201507U1 - Photon modulator

Info

Publication number: RU201507U1
Application number: RU2020126747U
Authority: RU
Inventors: Никита Михайлович Толкач
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2020-12-18

Abstract

Полезная модель относится к областям фотоники и оптоэлектроники, в частности к активным модулирующим оптическим устройствам. Предложенный в полезной модели фотонный модулятор выполняет функцию модуляции интенсивности информационного оптического сигнала. В качестве модулирующего элемента используется многослойная структура, обладающая минимальными оптическими потерями для информационного оптического сигнала и содержащая материал с фазовым переходом, изменяющий комплексный показатель преломления и интенсивность отраженного информационного оптического сигнала при воздействии управляющего оптического сигнала. Преимуществом описанного устройства является простота его конструкции, позволяющая достигнуть существенного уровня миниатюризации и интеграции в полностью оптических интегральных схемах.The utility model relates to the fields of photonics and optoelectronics, in particular, to active modulating optical devices. The photon modulator proposed in the utility model performs the function of modulating the intensity of the information optical signal. As a modulating element, a multilayer structure is used, which has minimal optical losses for the information optical signal and contains a phase transition material that changes the complex refractive index and the intensity of the reflected information optical signal when exposed to a control optical signal. The advantage of the described device is its simplicity of design, allowing to achieve a significant level of miniaturization and integration in all-optical integrated circuits.

Description

Полезная модель относится к областям фотоники и оптоэлектроники и может быть использована при создании полностью оптических информационных систем для модуляции оптических сигналов, например, в волоконно-оптических линиях связи и в системах сети на чипе.The utility model relates to the fields of photonics and optoelectronics and can be used to create all-optical information systems for modulating optical signals, for example, in fiber-optic communication lines and network-on-a-chip systems.

Известен аналог, приведенный в патенте WO 2017/046590А1 [1]. Он представляет собой фотонное устройство, содержащее: оптический волновод и модулирующий элемент, который эванесцентно связан с волноводом; при этом модулирующий элемент модифицирует характеристики пропускания, отражения или поглощения волновода в зависимости от его состояния, а состояние модулирующего элемента переключается управляющим оптическим сигналом, переносимым волноводом или электрическим сигналом, который нагревает модулирующий элемент. Основной недостаток данного прототипа связан с тем, что модулирующий элемент расположен поверх оптического проводника и не позволяет добиться высокой степени модуляции информационного оптического сигнала при переключении. Модуляция информационного оптического сигнала достигается за счет поглощающих свойств модулирующего элемента и изменения пропускательной способности в диапазоне от 10 до 30%, при этом часть сигнала все же распространяется дальше по оптическому проводнику или поглощается, что ведет к потерям информационного оптического сигнала на уровне 70%.Known analogue given in patent WO 2017 / 046590A1 [1]. It is a photonic device containing: an optical waveguide and a modulating element that is evanescently coupled to the waveguide; the modulating element modifies the transmission, reflection, or absorption characteristics of the waveguide depending on its state, and the state of the modulating element is switched by a control optical signal, carried by the waveguide, or an electrical signal that heats the modulating element. The main disadvantage of this prototype is associated with the fact that the modulating element is located over the optical conductor and does not allow a high degree of modulation of the information optical signal during switching. Modulation of the information optical signal is achieved due to the absorbing properties of the modulating element and the change in transmission capacity in the range from 10 to 30%, while part of the signal still propagates further along the optical conductor or is absorbed, which leads to losses of the information optical signal at a level of 70%.

Аналогом-прототипом полезной модели является решение, приведенное в патенте CN 1993649А [1]. Он представляет собой четырехслойный модулирующий элемент для управления электромагнитными лучами. Модулирующий элемент содержит слой из материала с фазовым переходом в сочетании с диэлектрическими и металлическим слоями. Материал с фазовым переходом обратимо трансформируется между двумя или более структурными состояниями, где различные структурные состояния различаются относительно показателя преломления и/или коэффициента экстинкции. Структурное состояние материала с фазовым переходом устанавливает состояние сдвига фазы волны для слоя, который определяет направление распространения выходного луча, создаваемого падающим электромагнитным лучом. В зависимости от структурного состояния слой принимает одно из двух основных состояний сдвига фазы волны, и достигается возможность управления двоичным пучком, при которой падающий электромагнитный пучок может быть перенаправлен в любом из двух направлений. В предпочтительном варианте осуществления выходной луч представляет собой отраженный от металлического слоя луч с измененным значением сдвига фазы волны, а элемент содержит материал с фазовым переходом, расположенный между двумя диэлектрическими слоями и поддерживаемый металлическим слоем. Основным недостатком аналога-прототипа является то что, отражательная способность модулирующего элемента изменяется в диапазоне от 0 до 65%, при этом неучтенные 35% представляют собой оптические потери. Также в аналоге-прототипе не указано, как модулирующий элемент расположен по отношению к окружающей оптической среде распространения электромагнитных лучей, что немаловажно, т.к. непонятно под нормальным углом лучи падают и отражаются или под меньшими углами.An analogue-prototype of the utility model is the solution given in patent CN 1993649A [1]. It is a four-layer modulating element for controlling electromagnetic beams. The modulating element contains a layer of phase change material combined with dielectric and metallic layers. A phase change material transforms reversibly between two or more structural states, where different structural states differ with respect to refractive index and / or extinction coefficient. The structural state of the phase change material sets the phase shift state of the wave for the layer, which determines the propagation direction of the output beam generated by the incident electromagnetic beam. Depending on the structural state, the layer assumes one of the two main states of the phase shift of the wave, and the possibility of controlling the binary beam is achieved, in which the incident electromagnetic beam can be redirected in any of two directions. In a preferred embodiment, the output beam is a waveform phase-shifted beam reflected from the metal layer and the element comprises a phase change material sandwiched between the two dielectric layers and supported by the metal layer. The main disadvantage of the prototype analogue is that the reflectivity of the modulating element varies in the range from 0 to 65%, while the unaccounted for 35% is optical loss. Also, in the prototype analogue, it is not indicated how the modulating element is located in relation to the surrounding optical medium of propagation of electromagnetic rays, which is important, since incomprehensibly at a normal angle, the rays fall and are reflected or at smaller angles.

Расположение модулирующего элемента на торце оптического проводника, а также добавление дополнительных слоев с определенными толщинами и составами в структуру модулирующего элемента позволяют скорректировать распространение электромагнитной волны в многослойной структуре модулирующего элемента и добиться лучшей степени модуляции информационного оптического сигнала и меньших оптических потерь.The location of the modulating element at the end of the optical conductor, as well as the addition of additional layers with certain thicknesses and compositions to the structure of the modulating element, make it possible to correct the propagation of an electromagnetic wave in the multilayer structure of the modulating element and achieve a better degree of modulation of the information optical signal and lower optical losses.

Анализ предшествующего уровня техники и возможностей, которые появляются при комбинировании их в одной системе, позволяет получить новый результат, а именно фотонный модулятор - устройство для модуляции интенсивностью информационного оптического сигнала, которое имеет диапазон изменения отражательной способности от 0% до 95% и меньшие в сравнении с аналогом-прототипом оптические потери на уровне 5% для информационного оптического сигнала.An analysis of the prior art and the possibilities that appear when combining them in one system makes it possible to obtain a new result, namely a photon modulator - a device for modulating the intensity of an information optical signal, which has a range of changes in reflectivity from 0% to 95% and less in comparison. with a prototype analog optical loss at the level of 5% for an information optical signal.

Заявленная полезная модель направлена на решение технической задачи по расширению функциональных возможностей представленного прототипа, а именно в повышении надежности передачи информации за счет уменьшения оптических потерь.The declared utility model is aimed at solving a technical problem to expand the functionality of the presented prototype, namely, to increase the reliability of information transmission by reducing optical losses.

Это достигается тем, что фотонный модулятор включает оптический проводник, модулирующий элемент, который содержит материал с фазовым переходом, отличается тем, что модулирующий элемент расположен на торце оптического проводника и представляет собой многослойную структуру, состоящую, как минимум, из пяти слоев, один из которых является слоем из материала с фазовым переходом.This is achieved by the fact that the photonic modulator includes an optical conductor, a modulating element that contains a material with a phase transition, differs in that the modulating element is located at the end of the optical conductor and is a multilayer structure consisting of at least five layers, one of which is a layer of phase change material.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.These features are essential and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the specified technical result.

На фиг. 1 представлен чертеж фотонного модулятора, где:FIG. 1 shows a drawing of a photon modulator, where:

1 - оптический проводник;1 - optical conductor;

2 - модулирующий элемент;2 - modulating element;

3 - слой из материала с фазовым переходом;3 - a layer of material with a phase change;

4 - информационный оптический сигнал;4 - information optical signal;

5 - управляющий оптический сигнал;5 - control optical signal;

6 - преобразованный информационный оптический сигнал при отражении от модулирующего элемента.6 - converted information optical signal when reflected from the modulating element.

Устройство работает следующим образом: модулирующий элемент 2 в зависимости от фазового состояния, в котором находится слой 3 из материала с фазовым переходом, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, поглощает информационный оптический сигнал 4 или отражает информационный оптический сигнал 4 назад в оптический проводник 1, преобразуя сигнал 4 в сигнал 6; фазовое состояние слоя 3 из материала с фазовым переходом изменяется управляющим оптическим сигналом 5.The device operates as follows: the modulating element 2, depending on the phase state, in which the layer 3 of a material with a phase transition is located, changes its transmission, reflection and absorption characteristics, absorbs the information optical signal 4 or reflects the information optical signal 4 back into the optical conductor 1 , converting signal 4 to signal 6; the phase state of layer 3 made of a material with a phase transition is changed by a control optical signal 5.

Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.The present utility model is illustrated by specific examples, which, however, are not the only possible ones, but clearly demonstrate the possibility of achieving the required technical result by the given set of features.

В качестве примера рассматривается фотонный модулятор, в котором оптический проводник 1 состоит из кварцевого стекла SiO₂, модулирующий элемент 2 состоит, как минимум, из пяти слоев: 110 нм Si, 30 нм SiO₂, 30 нм слой 3 из материала Ge₂Sb₂Te₅ с фазовым переходом, 215 нм SiO₂, 110 нм Si. Поверх 110 нм слоя Si также может быть использован защитный шестой 20 нм слой SiO₂, предотвращающий самопроизвольное окисление 110 нм слоя Si.As an example, a photon modulator is considered, in which the optical conductor 1 consists of silica glass SiO ₂ , the modulating element 2 consists of at least five layers: 110 nm Si, 30 nm SiO ₂ , 30 nm layer 3 made of Ge ₂ Sb ₂ material. Te ₅ with a phase transition, 215 nm SiO ₂ , 110 nm Si. Over the 110 nm Si layer, a protective sixth 20 nm SiO ₂ layer can also be used to prevent spontaneous oxidation of the 110 nm Si layer.

В качестве информационного оптического сигнала 4 используется излучение с длиной волны 1550 нм. В качестве управляющего оптического сигнала 5 используется излучение с длиной волны 650 нм.As an information optical signal 4, radiation with a wavelength of 1550 nm is used. As a control optical signal 5, radiation with a wavelength of 650 nm is used.

В данном примере в качестве материала с фазовым переходом используется Ge₂Sb₂Te₅. Слой 3 из материала с фазовым переходом при воздействии импульсов управляющего оптического сигнала 5 принимает два устойчивых фазовых состояния: аморфное и кристаллическое. Материалу Ge₂Sb₂Te₅ с данными фазовыми состояниями соответствуют следующие значения комплексного показателя преломления для излучений с длинами волн: для 1550 нм в аморфном фазовом состоянии n_k=3,8+0,06i, в кристаллическом фазовом состоянии n_k=6,3+l,2i; для 650 нм в аморфном фазовом состоянии n_k=4+l,4i, в кристаллическом фазовом состоянии n_k=4+3,8i.In this example, Ge ₂ Sb ₂ Te _{5 is} used as the phase change material. Layer 3 of a material with a phase transition, when exposed to pulses of the control optical signal 5, takes on two stable phase states: amorphous and crystalline. The Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ material with these phase states corresponds to the following values of the complex refractive index for radiation with wavelengths: for 1550 nm in the amorphous phase state n _k = 3.8 + 0.06i, in the crystalline phase state n _k = 6, 3 + l, 2i; for 650 nm in the amorphous phase state n _k = 4 + l, 4i, in the crystalline phase state n _k = 4 + 3.8i.

Воздействие импульса управляющего оптического сигнала 5 с длиной волны излучения 650 нм приводит к поглощению излучения слоем 3 из материала с фазовым переходом, что при определенных значениях интенсивности и длительности импульса приводит к фазовому переходу от аморфного к кристаллическому фазовому состоянию или наоборот.Exposure to a pulse of a control optical signal 5 with a radiation wavelength of 650 nm leads to absorption of radiation by a layer 3 of a material with a phase transition, which, at certain values of the intensity and pulse duration, leads to a phase transition from an amorphous to a crystalline phase state or vice versa.

Значения комплексного показателя преломления n_k для излучения с длиной волны 1550 нм равны значениям: для оптического проводника 1 из SiO₂ и слоев модулирующего элемента 2 из SiO₂ n_k=1,44, для слоев модулирующего элемента 3 из Si n_k=3,47.The values of the complex refractive index n _k for radiation with a wavelength of 1550 nm are equal to the values: for an optical conductor 1 made of SiO ₂ and layers of a modulating element 2 made of SiO ₂ n _k = 1.44, for layers of a modulating element 3 made of Si n _k = 3, 47.

Расчет отражательной и поглощательной способностей модулирующего элемента 2 при изменении комплексного показателя преломления n_k(n_k=n+i⋅к, где n - показатель преломления, k - коэффициент экстинкции) слоя 3 из материала с фазовым переходом от аморфного состояния к кристаллическому в соответствии с рекуррентными выражениями Френеля-Эйри для многослойной структуры для нормально падающего излучения показал следующие результаты.Calculation of the reflectivity and absorptivity of the modulating element 2 with a change in the complex refractive index n _k (n _k = n + i⋅к, where n is the refractive index, k is the extinction coefficient) of layer 3 from a material with a phase transition from an amorphous state to a crystalline state in accordance with with Fresnel-Airy recursive expressions for a multilayer structure for normally incident radiation has shown the following results.

В аморфном состоянии при n_k=3,8+0,06i, отражательная способность равна 80%, а поглощательная способность 3%, что соответствует отражению информационного оптического сигнала 4 от модулирующего элемента 2 и соответствует логической «1». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 80% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 17% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.In the amorphous state at n _k = 3.8 + 0.06i, the reflectivity is 80%, and the absorbance is 3%, which corresponds to the reflection of the information optical signal 4 from the modulating element 2 and corresponds to the logical "1". Accordingly, the intensity of the converted information optical signal 6 is 80% of the original information optical signal 4. The remaining 17% are optical losses and are passed by layer 3 of the phase material due to the imperfection of its characteristics.

В кристаллическом состоянии при n_k=6,3+l,2i, отражательная способность равна 3%, а поглощательная способность 80%, что соответствует поглощению информационного оптического сигнала 4 модулирующим элементом и соответствует логическому «0». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 3% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 17% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.In the crystalline state at n _k = 6.3 + l, 2i, the reflectivity is 3%, and the absorbance is 80%, which corresponds to the absorption of the information optical signal 4 by the modulating element and corresponds to a logical "0". Accordingly, the intensity of the converted information optical signal 6 is 3% of the original information optical signal 4. The remaining 17% are optical losses and are passed by layer 3 of the phase material due to the imperfection of its characteristics.

Добавление большего количества дополнительных слоев в структуру модулирующего элемента позволяет добиться еще более лучшей степени модуляции информационного оптического сигнала. В качестве примера также можно рассмотреть фотонный модулятор, в котором оптический проводник 1 состоит из кварцевого стекла SiO₂, модулирующий элемент 2 состоит из десяти слоев: 80 нм Si, 100 нм SiO₂, 150 нм Si, 50 нм SiO₂, 30 нм слой 3 из материала Ge₂Sb₂Te₅ с фазовым переходом, 190 нм SiO₂, 140 нм Si, 180 нм SiO₂, 120 нм Si, 20 нм SiO₂.Adding more additional layers to the structure of the modulating element makes it possible to achieve an even better degree of modulation of the information optical signal. As an example, we can also consider a photon modulator, in which the optical conductor 1 consists of silica glass SiO ₂ , the modulating element 2 consists of ten layers: 80 nm Si, 100 nm SiO ₂ , 150 nm Si, 50 nm SiO ₂ , 30 nm layer 3 from the material Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ with a phase transition, 190 nm SiO ₂ , 140 nm Si, 180 nm SiO ₂ , 120 nm Si, 20 nm SiO ₂ .

В аморфном состоянии при n_k=3,8+0,06i, отражательная способность такого модулирующего элемента равна 95%, а поглощательная способность 1%, что соответствует отражению информационного оптического сигнала 4 от модулирующего элемента 2 и соответствует логической «1». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 95% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 4% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.In the amorphous state at n _k = 3.8 + 0.06i, the reflectivity of such a modulating element is 95%, and the absorption capacity is 1%, which corresponds to the reflection of the information optical signal 4 from the modulating element 2 and corresponds to the logical "1". Accordingly, the intensity of the converted information optical signal 6 is 95% of the original information optical signal 4. The remaining 4% are optical losses and are passed by layer 3 of the phase material due to the imperfection of its characteristics.

В кристаллическом состоянии при n_k=6,3+l,2i, отражательная способность такого модулирующего элемента равна 1%, а поглощательная способность 95%, что соответствует поглощению информационного оптического сигнала 4 модулирующим элементом и соответствует логическому «0». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 1% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 4% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.In the crystalline state at n _k = 6.3 + l, 2i, the reflectivity of such a modulating element is 1%, and the absorbance is 95%, which corresponds to the absorption of the information optical signal 4 by the modulating element and corresponds to a logical "0". Accordingly, the intensity of the converted information optical signal 6 is 1% of the original information optical signal 4. The remaining 4% are optical losses and are passed by layer 3 of the phase material due to the imperfection of its characteristics.

Как видно, из приведенных оптических характеристик отражательной и пропускательной способностей увеличение количества слоев модулирующего элемента позволяет добиться меньших оптических потерь, что делает возможным решить поставленную техническую задачу повышения надежности передачи информации.As can be seen, from the given optical characteristics of the reflective and transmitting capacities, an increase in the number of layers of the modulating element makes it possible to achieve lower optical losses, which makes it possible to solve the technical problem posed to increase the reliability of information transmission.

Настоящая полезная модель промышленно применима, т.к. может быть использована при создании оптических модулирующих устройств и реализована с использованием тонкопленочных, планарных и оптоволоконных технологий.The present utility model is industrially applicable because can be used to create optical modulating devices and implemented using thin-film, planar and fiber-optic technologies.

Источники информации:Information sources:

1. Международный патент WO 2017/046590.1. International patent WO 2017/046590.

2. Патент Китая CN 100437321 - прототип.2. China patent CN 100437321 - prototype.

Claims

Photonic modulator, including an optical conductor, a modulating element that contains a material with a phase transition, characterized in that the modulating element is located at the end of the optical conductor and is a multilayer structure consisting of at least five layers, one of which is a layer of material with a phase change.