RU2642472C1 - Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения - Google Patents
Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2642472C1 RU2642472C1 RU2016139126A RU2016139126A RU2642472C1 RU 2642472 C1 RU2642472 C1 RU 2642472C1 RU 2016139126 A RU2016139126 A RU 2016139126A RU 2016139126 A RU2016139126 A RU 2016139126A RU 2642472 C1 RU2642472 C1 RU 2642472C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- harmonic
- waveguide
- thickness
- layer
- conductivity
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
Abstract
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия. Активный элемент выполнен в виде волновода с воздушными обкладками, волноведущий слой которого выполнен по меньшей мере из одной пары чередующихся слоев: слоя (1) из нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-1400 нм и слоя (2) из материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм. Изобретение обеспечивает повышение эффективности генерации второй гармоники оптического излучения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка WO 9950709, МПК H01S-003/16, опубликована 07.10.1999), содержащее двулучепреломляющий нелинейный кристалл GdxY1-xCa4O(BO3)3, где 0.01<=x<=0.35.
Недостатком известного устройства является малая нелинейная восприимчивость использованного в устройстве кристалла, что снижает эффективность генерации второй гармоники.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. авт. свид. RU 784550, МПК G02F 1/37, опубликовано 20.05.2000), состоящее из волноводного слоя, нанесенного на подложку и гребенчатого электрода, нанесенного на волноводный слой. Подложка выполнена из полупроводникового материала, а период структуры гребенчатого электрода выбран равным
где λ - длина волны излучения накачки, нм;
k1 и k2 - модули волновых векторов на основной частоте и второй гармонике.
Известное устройство обеспечивает достижение так называемого квазисинхронизма, достигаемого за счет поворота вектора поляризации в противоположном направлении по достижении длины синхронизма. Это позволяет использовать для нелинейного преобразования одноосные нелинейные кристаллы с высоким значением квадратичной нелинейной восприимчивости. Недостатком известного устройства является снижение эффективности преобразования по сравнению с истинным синхронизмом.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка JPH 06347848, МПК G02F-001/37, H01S-005/00, опубликована 22.12.1994), содержащего нелинейный кристалл с наведенной периодической поляризацией. В известном устройстве доменная структура направления поляризации уже закреплена при изготовлении кристалла, что существенно упрощает устройство в использовании.
Недостатком известного устройства является применение в устройстве квазисинхронизма, снижающего эффективность нелинейного преобразования.
Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка WO 2009075363, МПК G02F-001/35, G02F-001/35, G02F-001/37, G02F-001/37, опубликована 18.06.2009), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип содержит активный элемент из нитрида алюминия AIN, имеющего структуру с периодически меняющимся на противоположное направлением поляризации кристалла.
Устройство может осуществлять удвоение или утроение частоты оптического излучения за счет квазисинхронизма. Недостатком известного устройства является применение в нем квазисинхронизма для согласования фаз, что снижает эффективность генерации второй гармоники.
Задачей настоящего изобретения является разработка такого устройства для генерации второй гармоники оптического излучения, которое повышало бы эффективность генерации второй гармоники оптического излучения, обладая свойствами волноведущей структуры и обеспечивая истинный синхронизм для согласования фаз.
Поставленная задача решается тем, что устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия, выполненный из одной или нескольких пар чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-1400 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
Новым в устройстве является выполнение активного элемента в виде по меньшей мере одной пары чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-1400 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
Действующий показатель преломления подобного устройства оказывается зависящим от направления распространения излучения по структуре и изменяющимся в пределах от 1.05 до 2.9. В качестве волноводных обкладок для активной области используется воздух. Настоящее устройство представляет собой пленарный волновод с воздушными обкладками и метаматериалом в качестве волноведущего слоя и активного элемента для генерации второй гармоники. Новым в устройстве является учет волноводной дисперсии с целью обеспечить истинный синхронизм для согласования фаз при распространении вдоль волновода излучения накачки и второй гармоники. При этом длина когерентности может достигать нескольких сантиметров.
В устройстве материал с металлической проводимостью может быть выполнен из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1⋅1012 см-2 до 1⋅1014 см-2 или из металла.
Настоящее устройство может быть выращено на подложке, например, из Si, или GaAs, или AlN, или InP, или AlGaN, или Al2O3, или β-Ga2O3. После чего подложка должна быть удалена.
Настоящее устройство поясняется чертежом, где
на фиг. 1 схематически показано в разрезе настоящее устройство;
на фиг. 2 приведена зависимость длины когерентности от толщины a диэлектрического слоя метаматериала;
на фиг. 3 приведена зависимость длины когерентности от толщины h волновода;
на фиг. 4 приведена зависимость длины когерентности от длины волны λ основной гармоники.
Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (фиг. 1) содержит активный элемент на основе нитрида алюминия в виде одной или нескольких пар чередующихся слоев - слоя 1, состоящего из нитрида алюминия собственной проводимости толщиной от 100 до 1400 нм и слоя 2, обладающего металлической проводимостью и состоящего из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1⋅1012 см-2 до 1⋅1014 см-2 или из металла толщиной 1-5 нм. Устройство в своей основе представляет собой полупроводниковый оптический метаматериал - структуру, которая может быть выращена эпитаксиальными методами, что обеспечивает сравнительную простоту технологического процесса и низкую себестоимость. Диапазон толщин материалов слоев 1 и 2 определяют из следующих условий. Свет, распространяясь в подобных структурах, имеет характерный закон дисперсии, определяемый свойствами используемых материалов и соотношением между толщинами слоев полупроводника и металла. Толщина диэлектрика должна быть порядка длины волны распространяющегося в материале света, чтобы на свет оказывало влияние возмущение показателя преломления в периодической структуре. Таким образом, нижняя граница толщины нитрида алюминия собственной проводимости 100 нм определяется краем поглощения нитрида алюминия для излучения второй гармоники. Верхняя граница толщины слоя нитрида алюминия 1400 нм определяется тем, чтобы обеспечить толщину волновода не более 10-15 мкм при количестве пар чередующихся слоев не менее 10. Выбор максимальной толщины волновода определяется необходимостью поддержания высокой плотности мощности накачки, что обеспечивает повышение эффективности генерации второй гармоники. Выбор толщины слоя с металлической проводимостью определяется тем, что он должен быть более чем на порядок тоньше слоя диэлектрика, чтобы уменьшить поглощение в нем, но при этом иметь достаточную толщину, удовлетворяющую условию согласования фаз (1), которое может быть записано следующим образом: 2к1=к2. Нижняя граница слоя с металлической проводимостью 1 нм определяется технологической достижимостью, а верхняя граница 5 нм обусловлена требованием малого поглощения в этих слоях. Границы уровня концентрации задаются тем, что при достижении нижнего уровня концентрации легирования 1⋅1012 см-2 нитрид алюминия приобретает металлическую проводимость, верхняя граница 1⋅1014 см-2 определяется технологически достижимым уровнем.
Настоящее устройство работает следующим образом.
Излучение накачки вводят в активный элемент на основе нитрида алюминия, представляющий собой волновод, состоящий из нескольких пар слоев полупроводникового материала собственной проводимости и материала с металлической проводимостью. Распространение по волноводу излучения накачки обеспечивает сохранение высокой плотности мощности и, за счет этого, повышение эффективности генерации второй гармоники. Согласование фаз излучения накачки и второй гармоники обеспечивается компенсацией дисперсии коэффициента преломления волновода и материалов, из которых состоит активный элемент, за счет согласования эффективных коэффициентов преломления волноводных мод излучения накачки и второй гармоники, достигаемого надлежащим выбором толщин слоев, их количества и диэлектрической проницаемости материалов собственной и металлической проводимости.
Были проведены теоретические расчеты, подтверждающие достижимость истинного согласования фаз, обеспечивающего максимальную эффективность генерации второй гармоники в предлагаемом устройстве для генерации второй гармоники. Обычно расчет дисперсии света в метаматериалах производят с помощью разложения по плоским волнам. Этот метод эффективен для структур с соотносимыми значениями толщин слоев. Для структуры предлагаемого устройства для генерации второй гармоники оптического излучения метод плоских волн применить не удается, поэтому для теоретических расчетов используется метод блоховских амплитуд. Для света, распространяющегося в плоскости слоев, такая структура представляет собой обыкновенный пленарный волновод. Модификация закона дисперсии происходит при распространении света через активную область волновода под некоторым углом ϕ, как показано на фиг. 1. Диэлектрическая проницаемость в слое металла определяется как проницаемость плазмы с характерной плазменной частотой ωp
а для полупроводникового материала формально учитывается хроматическая дисперсия (
and 
Refraction index measurements on AIN single crystals, Phys. Stat. Sol. 14, K5-K8, 1966) с помощью коэффициентов Селлмайера. Результаты расчета показывают, что для каждой моды волновода существует свой закон дисперсии и свои области разрешенных и запрещенных значений длин волн. Задача генерации второй гармоники сводится к подбору таких значений параметров, при которых одновременно осуществляются два условия: свет на основной и удвоенной частотах распространяется под одним углом к плоскостям волновода; на основной и удвоенной частотах выполняется условие фазового синхронизма, которое в терминах длины когерентности мы формулируем следующим образом:
Управляемыми параметрами задачи являются толщины, количество и материал слоев в метаматериале и длина волны излучения накачки. Теоретический расчет показывает, что надлежащим выбором параметров можно добиться длины когерентности до 25 см. На фиг. 2 показана зависимость длины L когерентности от толщины a диэлектрического слоя метаматериала (параметры расчета: толщина слоя с металлической проводимостью 1 нм, длина волны накачки 550 нм, активная область состоит из 10 чередующихся слоев, толщина волновода 12,7 мкм). Расчет показывает, что изменение толщины приводит к падению длины когерентности, при этом ширина пика на высоте L=1 см составляет порядка 1,2 нм, что значительно больше технологического предела точности толщины эпитаксиального слоя. На фиг. 3 показана зависимость длины L когерентности от изменения толщины h волновода в предположении, что толщина слоя с металлической проводимостью 1 нм, толщина слоя собственной проводимости 1270 нм, активная область волновода состоит из 10 чередующихся слоев длина волны накачки 550 нм. Ширина пика на уровне L=1 см составляет около 250 нм, что также укладывается в технологические ограничения. На фиг. 4 представлена зависимость длины L когерентности от длины волны λ излучения накачки (параметры расчета: толщина слоя с металлической проводимостью 1 нм, толщина слоя собственной проводимости 1270 нм, активная область содержит 10 слоев, толщина волновода 12,7 мкм). Устройство демонстрирует высокую чувствительность к длине волны накачки: отклонение на 1 нм понижает длину L когерентности с 25 мм до 1,5 мм.
Claims (3)
1. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения, содержащее активный элемент на основе нитрида алюминия, отличающееся тем, что активный элемент выполнен в виде волновода с воздушными обкладками, волноведущий слой которого выполнен по меньшей мере из одной пары чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-1400 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал с металлической проводимостью выполнен из нитрида алюминия, легированного до концентрации от 1·1012 см-2 до 1·1014 см-2.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал с металлической проводимостью выполнен из металла.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016139126A RU2642472C1 (ru) | 2016-10-05 | 2016-10-05 | Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016139126A RU2642472C1 (ru) | 2016-10-05 | 2016-10-05 | Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2642472C1 true RU2642472C1 (ru) | 2018-01-25 |
Family
ID=61023939
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016139126A RU2642472C1 (ru) | 2016-10-05 | 2016-10-05 | Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2642472C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5390210A (en) * | 1993-11-22 | 1995-02-14 | Hewlett-Packard Company | Semiconductor laser that generates second harmonic light with attached nonlinear crystal |
| US20030045014A1 (en) * | 2001-08-30 | 2003-03-06 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Optical device and manufacturing method thereof |
| EP2224284A1 (en) * | 2007-12-12 | 2010-09-01 | Osaka Prefecture University Public Corporation | Composite photonic structure element, surface emitting laser using the composite photonic structure element, wavelength conversion element, and laser processing device using the wavelength conversion element |
-
2016
- 2016-10-05 RU RU2016139126A patent/RU2642472C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5390210A (en) * | 1993-11-22 | 1995-02-14 | Hewlett-Packard Company | Semiconductor laser that generates second harmonic light with attached nonlinear crystal |
| US20030045014A1 (en) * | 2001-08-30 | 2003-03-06 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Optical device and manufacturing method thereof |
| EP2224284A1 (en) * | 2007-12-12 | 2010-09-01 | Osaka Prefecture University Public Corporation | Composite photonic structure element, surface emitting laser using the composite photonic structure element, wavelength conversion element, and laser processing device using the wavelength conversion element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kaminow et al. | Electrooptic light modulators | |
| Nelson et al. | Electro‐optic and piezoelectric coefficients and refractive index of Gallium Phosphide | |
| Lee et al. | Tunable narrow-band terahertz generation from periodically poled lithium niobate | |
| Kowerdziej et al. | Terahertz characterization of tunable metamaterial based on electrically controlled nematic liquid crystal | |
| Al Sayem et al. | Ultrathin ultra-broadband electro-absorption modulator based on few-layer graphene based anisotropic metamaterial | |
| Wu et al. | Tunable multilayer Fabry-Perot resonator using electro-optical defect layer | |
| US9455548B2 (en) | Methods and apparatus for generating terahertz radiation | |
| Girouard et al. | $\chi^{(2)} $ Modulator With 40-GHz Modulation Utilizing BaTiO3 Photonic Crystal Waveguides | |
| Kukushkin et al. | Collective modes and the periodicity of quantum Hall stripes | |
| Deng et al. | Tunable flat-top bandpass filter based on coupled resonators on a graphene sheet | |
| US9261647B1 (en) | Methods of producing strain in a semiconductor waveguide and related devices | |
| Poveda et al. | Semiconductor optical waveguide devices modulated by surface acoustic waves | |
| Taya et al. | Reflection and transmission from left-handed material structures using Lorentz and Drude medium models | |
| Kostritskii et al. | Subsurface disorder and electro-optical properties of proton-exchanged LiNbO 3 waveguides produced by different techniques | |
| JPH0296121A (ja) | 波長変換素子 | |
| RU2642472C1 (ru) | Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения | |
| RU2650352C1 (ru) | Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения | |
| RU2650597C2 (ru) | Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения | |
| Chodorow et al. | Liquid crystal materials in THz technologies | |
| Mei et al. | Efficient Terahertz Generation Via GaAs Hybrid Ridge Waveguides | |
| Savchenko et al. | Photonic-crystal waveguide for the second-harmonic generation | |
| de Dios-Leyva et al. | Band structure and associated electromagnetic fields in one-dimensional photonic crystals with left-handed materials | |
| Kancleris et al. | Fano resonance in metasurfaces and its application | |
| Han et al. | All-dielectric active photonics driven by bound states in the continuum | |
| Wang et al. | Epitaxial (Ba, Sr) TiO3 Ferroelectric Thin Films for Integrated Optics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190607 Effective date: 20190607 |