RU2650352C1 - The device for the second harmonic generation of the optical radiation - Google Patents

The device for the second harmonic generation of the optical radiation Download PDF

Info

Publication number
RU2650352C1
RU2650352C1 RU2016142316A RU2016142316A RU2650352C1 RU 2650352 C1 RU2650352 C1 RU 2650352C1 RU 2016142316 A RU2016142316 A RU 2016142316A RU 2016142316 A RU2016142316 A RU 2016142316A RU 2650352 C1 RU2650352 C1 RU 2650352C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thickness
optical radiation
waveguide
harmonic
aluminum nitride
Prior art date
Application number
RU2016142316A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Григорий Семенович Соколовский
Григорий Михайлович Савченко
Владислав Викторович Дюделев
Всеволод Владимирович Лундин
Никита Сергеевич Аверкиев
Алексей Валентинович Сахаров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2016142316A priority Critical patent/RU2650352C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2650352C1 publication Critical patent/RU2650352C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/37Non-linear optics for second-harmonic generation

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics, namely to devices for doubling the frequency of optical radiation. Device for the second harmonic generation of the optical radiation comprises an active element based on aluminum nitride, and two plates of solid solution AlxGa1-xN. Active element is made of at least one pair of alternating layers: layer (1) consists of intrinsic conductive aluminum nitride with a thickness of 100-1400nm and a layer (2) consists of material with metallic conductivity with a thickness of 1-5nm.
EFFECT: invention provides improved efficiency of the second harmonic generation of the optical radiation.
3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения.The invention relates to quantum electronics, and in particular to devices for doubling the frequency of optical radiation.

Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка WO 9950709, МПК H01S - 003/16, опубл. 07.10.1999), содержащее двулучепреломляющий нелинейный кристалл GdxY1-xCa4O(BO3)3, где 0,01<=х<=0,35.A device is known for generating the second harmonic of optical radiation (see application WO 9950709, IPC H01S - 003/16, publ. 07.10.1999) containing a birefringent nonlinear crystal Gd x Y 1-x Ca 4 O (BO 3 ) 3 , where 0 , 01 <= x <= 0.35.

Недостатком известного устройства является малая нелинейная восприимчивость использованного в устройстве кристалла, что снижает эффективность генерации второй гармоники.A disadvantage of the known device is the small nonlinear susceptibility of the crystal used in the device, which reduces the efficiency of second harmonic generation.

Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. авт. св. RU 784550, МПК G02F 1/37, опубл. 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 равнымA device is known for generating the second harmonic of optical radiation (see ed. St. RU 784550, IPC G02F 1/37, publ. 05.20.2000), consisting of a waveguide layer deposited on a substrate and a comb electrode deposited on a waveguide layer. The substrate is made of semiconductor material, and the period of the structure of the comb electrode is chosen equal to

Figure 00000001
Figure 00000001

где λ - длина волны излучения накачки, нм;where λ is the wavelength of the pump radiation, nm;

Figure 00000002
и
Figure 00000003
- эффективные показатели преломления волноводных мод основой частоты и второй гармоники соответственно;
Figure 00000002
and
Figure 00000003
- effective refractive indices of the waveguide modes based on the frequency and second harmonic, respectively;

k1 и k2 - модули волновых векторов на основной частоте и второй гармонике.k 1 and k 2 are the moduli of wave vectors at the fundamental frequency and second harmonic.

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.The known device ensures the achievement of the so-called quasisynchronism, achieved by rotating the polarization vector in the opposite direction upon reaching the length of synchronism. This makes it possible to use uniaxial nonlinear crystals with a high quadratic nonlinear susceptibility for nonlinear conversion. A disadvantage of the known device is the reduction in conversion efficiency compared to true synchronism.

Известно устройство для генерации второй гармоники оптического излучения (см. заявка JPH 06347848, МПК G02F - 001/37, H01S - 005/00, опубл. 22.12.1994), содержащее нелинейный кристалл с наведенной периодической поляризацией. В известном устройстве доменная структура направления поляризации уже закреплена при изготовлении кристалла, что существенно упрощает устройство в использовании.A device is known for generating the second harmonic of optical radiation (see application JPH 06347848, IPC G02F - 001/37, H01S - 005/00, publ. 12/22/1994), containing a nonlinear crystal with induced periodic polarization. In the known device, the domain structure of the polarization direction is already fixed in the manufacture of the crystal, which greatly simplifies the device in use.

Недостатком известного устройства является применение в устройстве квази-синхронизма, снижающего эффективность нелинейного преобразования.A disadvantage of the known device is the use of quasi-synchronism in the device, which reduces the efficiency of nonlinear conversion.

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, опубл. 18.06.2009), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип содержит активный элемент из нитрида алюминия AlN, имеющего структуру с периодически меняющимся на противоположное направлением поляризации кристалла.A device is known for generating the second harmonic of optical radiation (see application WO 2009075363, IPC G02F - 001/35, G02F - 001/35, G02F - 001/37, G02F - 001/37, publ. 06/18/2009), which coincides with this the decision on the largest number of essential features and taken as a prototype. The prototype device contains an active element of aluminum nitride AlN having a structure with periodically changing to the opposite direction of polarization of the crystal.

Устройство может осуществлять удвоение или утроение частоты оптического излучения за счет квази-синхронизма. Недостатком известного устройства является применение в нем квази-синхронизма для согласования фаз, что снижает эффективность генерации второй гармоники.The device can double or triple the frequency of optical radiation due to quasi-phase matching. A disadvantage of the known device is the use of quasi-phase matching in it for phase matching, which reduces the efficiency of second harmonic generation.

Задачей 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.The objective of the invention is to develop such a device for generating a second harmonic of optical radiation, which would increase the efficiency of generation of the second harmonic of optical radiation, having the properties of a waveguide structure and providing true phase matching for phase matching.

Поставленная задача решается тем, что устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия, активный элемент расположен между обкладками из твердого раствора AlxGa1-xN, где 0,15≤x≤1, и выполнен из одной или нескольких пар чередующихся слоев нитрида алюминия собственной проводимости толщиной 100-1400 нм и материала с металлической проводимостью толщиной 1-5 нм.The problem is solved in that the device for generating a second harmonic of optical radiation contains an active element based on aluminum nitride, the active element is located between the plates of the solid solution Al x Ga 1-x N, where 0.15≤x≤1, and is made of one or several pairs of alternating layers of aluminum nitride intrinsic conductivity with a thickness of 100-1400 nm and a material with metal conductivity with a thickness of 1-5 nm.

Новым в устройстве является расположение активного элемента между обкладками из твердого раствора AlxGa1-xN, где 0,15≤х≤1, и 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.New in the device is the location of the active element between the plates of the solid solution Al x Ga 1-x N, where 0.15≤x≤1, and the execution of the active element in the form of at least one pair of alternating layers of aluminum nitride intrinsic conductivity with a thickness of 100-1400 nm and a material with metallic conductivity 1-5 nm thick.

Настоящее устройство представляет собой планарный волновод твердотельными обкладками и метаматериалом в качестве волноведущего слоя и активного элемента для генерации второй гармоники. Действующий показатель преломления волноведущего слоя оказывается зависящим от направления распространения излучения по структуре и изменяющимся в пределах от 1,8 до 2,90. В качестве волноводных обкладок для активной области используются слои твердого раствора AlxGa1-xN, где 0,15≤x≤1. Диапазон мольных долей состава волноводных обкладок определяется тем, что показатель преломления обкладок должен быть ниже 2,1 для достижения синхронизма при нелинейном преобразовании света в данном волноводном элементе. Данное условие выполняется при мольной доле алюминия не ниже 0,15. При увеличении мольной доли алюминия вплоть до 1 происходит плавное уменьшение показателя преломления обкладок вплоть до значений 1,7-1,8. Новым в устройстве является учет волноводной дисперсии и дисперсии показателя преломления материала обкладок 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.This device is a planar waveguide with solid-state plates and metamaterial as a waveguide layer and an active element for the generation of the second harmonic. The effective refractive index of the waveguide layer turns out to depend on the direction of radiation propagation through the structure and varying from 1.8 to 2.90. The layers of the Al x Ga 1-x N solid solution are used as waveguide plates for the active region, where 0.15≤x≤1. The range of molar fractions of the composition of the waveguide plates is determined by the fact that the refractive index of the plates must be lower than 2.1 in order to achieve synchronism in the nonlinear conversion of light in a given waveguide element. This condition is satisfied when the molar fraction of aluminum is not lower than 0.15. With an increase in the molar fraction of aluminum up to 1, a gradual decrease in the refractive index of the plates occurs up to values of 1.7-1.8. New in the device is to take into account the waveguide dispersion and the dispersion of the refractive index of the cladding material in order to ensure true phase matching for phase matching during propagation of pump radiation and second harmonic along the waveguide. Moreover, the coherence length can reach several centimeters.

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.In the device, a material with metal conductivity can be made of aluminum nitride alloyed to a concentration of 1 × 10 12 cm -2 to 1 × 10 14 cm -2 or metal.

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 может быть удалена.The present device can be grown on a substrate, for example, from Si, or GaAs, or AlN, or InP, or AlGaN, or Al 2 O 3 , or β-Ga 2 O 3 . Then the substrate can be removed.

Настоящее устройство поясняется чертежами, гдеThe present device is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 схематически показано в разрезе настоящее устройство;in FIG. 1 is a schematic sectional view of the present device;

на фиг. 2 приведена зависимость длины когерентности от толщины а диэлектрического слоя мета материала;in FIG. 2 shows the dependence of the coherence length on the thickness a of the dielectric layer of the meta material;

на фиг. 3 приведена зависимость длины когерентности от толщины h волновода;in FIG. Figure 3 shows the dependence of the coherence length on the thickness h of the waveguide;

на фиг. 4 приведена зависимость длины когерентности от длины волны λ основной гармоники.in FIG. Figure 4 shows the dependence of the coherence length on the wavelength λ of the fundamental harmonic.

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: 2к12. 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. Мольная доля алюминия x в твердом растворе AlxGa1-xN определяется из условия достижения требуемых значений показателя преломления в обкладках.A device for generating a second harmonic of optical radiation (Fig. 1) contains an active element based on aluminum nitride in the form of one or several pairs of alternating layers - layer 1, consisting of intrinsic aluminum nitride with a thickness of 100 to 1400 nm, and layer 2 having a metal conductivity and consisting of aluminum nitride doped to a concentration of 1⋅10 12 cm -2 to 1⋅10 14 cm -2 or of metal 1-5 nm thick. The device is basically a semiconductor optical metamaterial - a structure that can be grown by epitaxial methods, which ensures the comparative simplicity of the process and low cost. The range of thicknesses of the materials of layers 1 and 2 is determined from the following conditions. Light propagating in such structures has a characteristic dispersion law, determined by the properties of the materials used and the ratio between the thicknesses of the semiconductor and metal layers. The thickness of the dielectric must be of the order of the wavelength of the light propagating in the material, so that the disturbance of the refractive index in the periodic structure affects the light. Thus, the lower boundary of the thickness of aluminum nitride intrinsic conductivity of 100 nm is determined by the absorption edge of aluminum nitride for radiation of the second harmonic. The upper limit of the thickness of the aluminum nitride layer 1400 nm is determined in order to provide a waveguide thickness of not more than 10-15 μm with the number of pairs of alternating layers of not less than 10. The choice of the maximum waveguide thickness is determined by the need to maintain a high pump power density, which ensures an increase in the second harmonic generation efficiency. The choice of the thickness of the layer with metal conductivity is determined by the fact that it must be more than an order of magnitude thinner than the dielectric layer in order to reduce absorption in it, but at the same time have a sufficient thickness satisfying the phase matching condition (1), which can be written as follows: 2к 1 = k 2 . The lower boundary of a layer with a metallic conductivity of 1 nm is determined by technological attainability, and the upper boundary of 5 nm is due to the requirement of low absorption in these layers. The boundaries of the concentration level are set by the fact that upon reaching the lower level of doping concentration of 1 см10 12 cm -2 aluminum nitride acquires metallic conductivity, the upper limit of 1⋅10 14 cm -2 is determined by the technologically achievable level. The molar fraction of aluminum x in the Al x Ga 1-x N solid solution is determined from the condition that the required values of the refractive index in the plates are achieved.

Настоящее устройство работает следующим образом.This device operates as follows.

Излучение накачки вводится 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.The pump radiation is introduced into an active element based on aluminum nitride, which is a waveguide consisting of several pairs of layers of a semiconductor material of intrinsic conductivity and a material with metallic conductivity. The propagation of pump radiation along the waveguide ensures the preservation of a high power density and, as a result, increases the efficiency of second harmonic generation. The matching of the phases of the pump radiation and the second harmonic is ensured by the compensation of the dispersion of the refractive index of the waveguide and the materials that make up the active element by matching the effective refractive indices of the waveguide modes of the pump radiation and the second harmonic, achieved by the proper choice of layer thicknesses, their number and permittivity of intrinsic and metal conductivity.

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 ωр Theoretical calculations were carried out, confirming the attainability of true phase matching, which ensures the maximum efficiency of second harmonic generation in the proposed device for second harmonic generation. Typically, the calculation of the dispersion of light in metamaterials is carried out by means of expansion in plane waves. This method is effective for structures with correlated layer thicknesses. For the structure of the proposed device for generating the second harmonic of optical radiation, the plane wave method cannot be applied, therefore, the Bloch amplitude method is used for theoretical calculations. For light propagating in the plane of the layers, such a structure is an ordinary plenary waveguide. Modification of the dispersion law occurs when light propagates through the active region of the waveguide at a certain angle ϕ, as shown in FIG. 1. The dielectric constant in a metal layer is defined as the permeability of a plasma with a characteristic plasma frequency ω p

Figure 00000004
Figure 00000004

а для полупроводникового материала формально учитывается хроматическая дисперсия (J.

Figure 00000005
and L.
Figure 00000006
. Refraction index measurements on AIN single crystals, Phys. Stat. Sol. 14, K5-K8, 1966) с помощью коэффициентов Селлмайера. Дисперсия в обкладках учитывается также с помощью коэффициентов Селлмайера (G.М. Laws, Е.С. Larkins, and I. Harrison. Improved refractive index formulas for the
Figure 00000007
and
Figure 00000008
alloys, Journ. Of Appl. Phys., 89 (2), 2001, 1108-1115). 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:and for a semiconductor material, the chromatic dispersion is formally taken into account (J.
Figure 00000005
and L.
Figure 00000006
. Refraction index measurements on AIN single crystals, Phys. Stat. Sol. 14, K5-K8, 1966) using the Sellmeier coefficients. The dispersion in the plates is also taken into account using the Sellmayer coefficients (G.M. Laws, E.S. Larkins, and I. Harrison. Improved refractive index formulas for the
Figure 00000007
and
Figure 00000008
alloys, Journ. Of appl. Phys., 89 (2), 2001, 1108-1115). The calculation results show that for each waveguide mode there is its own dispersion law and its own regions of allowed and forbidden wavelengths. The task of generating the second harmonic is reduced to the selection of such parameter values under which two conditions are simultaneously satisfied: light at the fundamental and doubled frequencies propagates at the same angle to the planes of the waveguide; at the fundamental and doubled frequencies, the condition of phase synchronism is fulfilled, which in terms of the coherence length we formulate as follows:

Figure 00000009
Figure 00000009

Управляемыми параметрами задачи являются толщины, количество и материал слоев в метаматериале, материал обкладок и длина волны излучения накачки. В качестве примера приведены результаты теоретического расчета, проведенного для доли алюминия х=0,2 в обкладках волновода, состоящих из AlxGa1-xN. Результаты данного расчета показывают, что надлежащим выбором параметров можно добиться длины когерентности до 25 мм. На фиг. 2 показана зависимость длины L когерентности от толщины а диэлектрического слоя метаматериала (параметры расчета: толщина слоя с металлической проводимостью 1 нм, длина волны накачки 550 нм, активная область состоит из 10 пар чередующихся слоев, толщина волновода 12,7 мкм. Расчет показывает, что изменение толщины из-за неточности технологии изготовления 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 1272 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 1272 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. Теоретические расчеты для других долей содержания алюминия 0,15≤х≤1 в обкладках волноводного слоя показывают сходные результаты.The controlled parameters of the problem are the thicknesses, the number and material of layers in the metamaterial, the lining material, and the pump radiation wavelength. As an example, the results of a theoretical calculation carried out for the fraction of aluminum x = 0.2 in the plates of the waveguide, consisting of Al x Ga 1-x N., are shown. The results of this calculation show that with a proper choice of parameters, a coherence length of up to 25 mm can be achieved. In FIG. Figure 2 shows the dependence of the coherence length L on the thickness a of the dielectric layer of the metamaterial (calculation parameters: thickness of the layer with metal conductivity 1 nm, pump wavelength 550 nm, the active region consists of 10 pairs of alternating layers, the waveguide thickness is 12.7 μm. The calculation shows that a change in thickness due to inaccuracy in the manufacturing technology leads to a decrease in the coherence length, while the peak width at a height of L = 1 cm is about 1.2 nm, which is much more than the technological limit of accuracy of the thickness of the epitaxial layer. Figure 3 shows the dependence of the coherence length L on the change in the waveguide thickness h under the assumption that the thickness of the layer with metallic conductivity is 1 nm, the intrinsic conductivity layer is 1272 nm, the active region of the waveguide consists of 10 alternating layers, and the pump wavelength is 550 nm. the level of L = 1 cm is about 250 nm, which also fits into technological limitations, Fig. 4 shows the dependence of the coherence length L on the pump radiation wavelength λ (calculation parameters: thickness of a layer with a metal conductivity of 1 nm, intrinsic conductivity layer thickness 1272 nm, active region contains 10 layers, waveguide thickness 12.7 μm). The device demonstrates high sensitivity to the pump wavelength: a deviation of 1 nm reduces the coherence length L from 25 mm to 1.5 mm. Theoretical calculations for other fractions of aluminum content of 0.15≤x≤1 in the plates of the waveguide layer show similar results.

Claims (3)

1. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения, содержащее активный элемент на основе нитрида алюминия, отличающееся тем, что активный элемент расположен между обкладками из твердого раствора AlxGa1-xN, где 0,15≤х≤1, и 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.1. A device for generating a second harmonic of optical radiation containing an active element based on aluminum nitride, characterized in that the active element is located between the plates of the solid solution Al x Ga 1-x N, where 0.15≤x≤1, and made at least one pair of alternating layers of aluminum nitride intrinsic conductivity with a thickness of 100-1400 nm and a material with metal conductivity with a thickness of 1-5 nm. 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-2.2. The device according to p. 1, characterized in that the material with metal conductivity is made of aluminum nitride alloyed to a concentration of from 1 10 12 cm -2 to 1 10 14 cm -2 . 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал с металлической проводимостью выполнен из металла.3. The device according to p. 1, characterized in that the material with metallic conductivity is made of metal.
RU2016142316A 2016-10-27 2016-10-27 The device for the second harmonic generation of the optical radiation RU2650352C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142316A RU2650352C1 (en) 2016-10-27 2016-10-27 The device for the second harmonic generation of the optical radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142316A RU2650352C1 (en) 2016-10-27 2016-10-27 The device for the second harmonic generation of the optical radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2650352C1 true RU2650352C1 (en) 2018-04-11

Family

ID=61976523

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016142316A RU2650352C1 (en) 2016-10-27 2016-10-27 The device for the second harmonic generation of the optical radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2650352C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
US5918108A (en) * 1996-07-17 1999-06-29 W. L. Gore & Associates, Inc Vertical cavity surface emitting laser with enhanced second harmonic generation and method of making same
US20030045014A1 (en) * 2001-08-30 2003-03-06 Murata Manufacturing Co., Ltd. Optical device and manufacturing method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
US5918108A (en) * 1996-07-17 1999-06-29 W. L. Gore & Associates, Inc Vertical cavity surface emitting laser with enhanced second harmonic generation and method of making same
US20030045014A1 (en) * 2001-08-30 2003-03-06 Murata Manufacturing Co., Ltd. Optical device and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Tunable narrow-band terahertz generation from periodically poled lithium niobate
Kaminow et al. Electrooptic light modulators
Cazzanelli et al. Second order optical nonlinearity in silicon by symmetry breaking
Kowerdziej et al. Terahertz characterization of tunable metamaterial based on electrically controlled nematic liquid crystal
EP1857845B1 (en) Optical waveguide structures
Fandan et al. Acoustically-driven surface and hyperbolic plasmon-phonon polaritons in graphene/h-BN heterostructures on piezoelectric substrates
KR101688113B1 (en) Electro-optical single crystal element, method for the preparation thereof, and systems employing the same
Al Sayem et al. Ultrathin ultra-broadband electro-absorption modulator based on few-layer graphene based anisotropic metamaterial
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
US9455548B2 (en) Methods and apparatus for generating terahertz radiation
Wu et al. Tunable multilayer Fabry-Perot resonator using electro-optical defect layer
US9261647B1 (en) Methods of producing strain in a semiconductor waveguide and related devices
Kostritskii et al. Subsurface disorder and electro-optical properties of proton-exchanged LiNbO 3 waveguides produced by different techniques
RU2650352C1 (en) The device for the second harmonic generation of the optical radiation
RU2642472C1 (en) Device for generation of second harmonic of optical radiation
Wang et al. Study on the nonreciprocal absorption properties of cylindrical photonic crystals embedded in graphene cascaded by periodic and Rudin–Shapiro sequences at large incident angles
Dutta et al. Low frequency piezoresonance defined dynamic control of terahertz wave propagation
RU2650597C2 (en) Device for generating second harmonic of optical radiation
Mei et al. Efficient Terahertz Generation Via GaAs Hybrid Ridge Waveguides
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
Savchenko et al. Photonic-crystal waveguide for the second-harmonic generation
Dai et al. A tunable dual-narrowband band-pass filter using plasma quantum well structure
Bai et al. Theoretical investigation of the phonon-polariton mode in Czochralski-grown piezoelectric superlattice

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190607

Effective date: 20190607