RU2809776C1 - Optically transparent device for ir signal modulation - Google Patents

Optically transparent device for ir signal modulation Download PDF

Info

Publication number
RU2809776C1
RU2809776C1 RU2023108074A RU2023108074A RU2809776C1 RU 2809776 C1 RU2809776 C1 RU 2809776C1 RU 2023108074 A RU2023108074 A RU 2023108074A RU 2023108074 A RU2023108074 A RU 2023108074A RU 2809776 C1 RU2809776 C1 RU 2809776C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layers
layer
transparent
ito
wave
Prior art date
Application number
RU2023108074A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Мстислав Олегович Макеев
Богдан Александрович Паршин
Алексей Сергеевич Осипков
Наталья Сергеевна Кудрина
Павел Андреевич Михалев
Дмитрий Сергеевич Рыженко
Александр Сергеевич Проваторов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Application granted granted Critical
Publication of RU2809776C1 publication Critical patent/RU2809776C1/en

Links

Abstract

FIELD: optical devices.
SUBSTANCE: invention is intended for use as part of glazing elements and means of visual display of information to provide parametric noise of IR radiation. An optically transparent device is a multilayer coating that includes layers of a transparent piezoelectric, transparent conducting layers or layers of a wide-gap semiconductor, matching layers. Operation of the device consists in applying voltage to the layers of metal or wide-gap semiconductor resulting in a change in the geometric and, as a consequence, optical thickness of the piezoactive layers, which leads to modulation of the phase of the transmitted IR radiation. To reduce acoustic noise, control voltage can be applied to the layers in such a way that changing the geometry of the piezoactive layers does not lead to a significant change in the total thickness of the coating and displacement of its centre of mass.
EFFECT: generation of parametric noise in order to prevent remote reading of information.
1 cl

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано в электрически управляемых устройствах для модуляции проходящего электромагнитного излучения, в том числе для параметрического зашумления с целью предотвращения удаленного считывания информации. The invention relates to infrared technology and can be used in electrically controlled devices for modulating passing electromagnetic radiation, including parametric noise in order to prevent remote reading of information.

Уровень техникиState of the art

Известен электрооптический модулятор на основе скрученного жидкого кристалла, описанный в патенте на изобретение США US6094246A, G02F 1/1335; С09К 19/0, дата 25/07/2000. Модулятор действует как переключаемая полуволновая пластина, которая может по выбору (в ответ на приложение или отсутствие приложения электрического поля) поворачивать входную линейную поляризацию на 0° или 90°. При отсутствии электрического поля модулятор поворачивает поляризацию входящего света на 90°. При приложении электрического поля поляризация поворачивается на меньшую величину. Данный модулятор обеспечивает относительно быстрое время переключения (порядка 50 мс), и относительно большие коэффициенты затухания (вплоть до минус 25 дБ). Недостатком данной структуры является ее непрозрачность в видимом диапазоне длин волн. Также в патенте не рассматривается возможность применения данной структуры для модуляции сигналов в диапазоне ИК длин волн.An electro-optical modulator based on a twisted liquid crystal is known, described in US patent US6094246A, G02F 1/1335; S09K 19/0, date 07/25/2000. The modulator acts as a switchable half-wave plate that can selectively (in response to the application or non-application of an electric field) rotate the input linear polarization to 0° or 90°. In the absence of an electric field, the modulator rotates the polarization of the incoming light by 90°. When an electric field is applied, the polarization rotates by a smaller amount. This modulator provides relatively fast switching times (about 50 ms), and relatively large attenuation coefficients (up to minus 25 dB). The disadvantage of this structure is its opacity in the visible wavelength range. Also, the patent does not consider the possibility of using this structure for modulating signals in the IR wavelength range.

Известна волноводная структура с фазовой модуляцией, описанная в патенте на изобретение США US8014636B2, G02F 1/035; H01L 29/06; Н04 В 10/04, дата 06/09/2011, которая включает в себя либо слои р- и n-легированного кремния, между которыми располагается слой оксида, либо р-и n-легированные слои SiGe, эпитаксиально выращенные на Si-подложке, между которыми также располагается слой оксида. В первом случае, когда прикладывается напряжение между слоями р- и n-легированного кремния, на обеих сторонах тонкого оксидного слоя, выполняющего роль затвора, происходит накопление носителей заряда, что приводит к изменению показателей преломления данных областей и, соответственно, к модуляции проходящего через волновод сигнала. Во втором случае напряжение прикладывается к легированным слоям SiGe, в результате чего энергия связанных состояний внутри тонкого оксидного слоя (квантовой ямы) уменьшается за счет кулоновского взаимодействия электронно-дырочных пар. Эффективная ширина запрещенной зоны модулируется, и в межзонном поглощении наблюдается красный сдвиг, что приводит к уменьшению пикового значения поглощения. В результате этого происходит модуляция интенсивности лазерного света, проходящего через квантовую яму. Свет при этом может направляться через границы раздела оксид/SiGe и SiGe/Si. К недостаткам предложенных структур можно отнести то, что применяемые материалы являются непрозрачными в видимом диапазоне длин волн. Также в патенте не рассматривается возможность применения данных структур для модуляции сигнала в диапазоне ИК длин волн.A waveguide structure with phase modulation is known, described in US patent US8014636B2, G02F 1/035; H01L 29/06; Н04 В 10/04, date 09/06/2011, which includes either layers of p- and n-doped silicon, between which an oxide layer is located, or p- and n-doped SiGe layers, epitaxially grown on a Si substrate, between which there is also a layer of oxide. In the first case, when a voltage is applied between the layers of p- and n-doped silicon, charge carriers accumulate on both sides of the thin oxide layer acting as a gate, which leads to a change in the refractive indices of these regions and, accordingly, to modulation of the energy passing through the waveguide signal. In the second case, a voltage is applied to the doped SiGe layers, as a result of which the energy of bound states inside a thin oxide layer (quantum well) is reduced due to the Coulomb interaction of electron-hole pairs. The effective band gap is modulated and a red shift is observed in the interband absorption, resulting in a decrease in the peak absorption value. As a result, the intensity of the laser light passing through the quantum well is modulated. In this case, light can be directed through the oxide/SiGe and SiGe/Si interfaces. The disadvantages of the proposed structures include the fact that the materials used are opaque in the visible wavelength range. Also, the patent does not consider the possibility of using these structures to modulate a signal in the IR wavelength range.

Наиболее близкими аналогами являются компактный электрооптический модулятор, описанный в патенте на изобретение США US 10732441 В2, G02F 1/025, дата 04/08/2020 и фотонная интегральная схема, описанная в патенте на изобретение США US9535308B2, G02F 1/035; G02B 6/122; G02F 1/225, дата 03/01/2017.The closest analogues are the compact electro-optical modulator described in the US patent US 10732441 B2, G02F 1/025, date 04/08/2020 and the photonic integrated circuit described in the US patent US9535308B2, G02F 1/035; G02B 6/122; G02F 1/225, date 01/03/2017.

В основе компактного электрооптического модулятора лежит интегральный конденсатор со структурой «металл-оксид-полупроводник» (МОП), прозрачный для видимого диапазона длин волн с одномерной кремниевой фотонной нанополостью. МОП-конденсатор представляет собой последовательность слоев ITO/SiO2/Si (здесь и далее ITO: оксид индия-олова от англ. Indium tin oxide). Электрооптическая модуляция достигается путем переключения напряжения на обкладках данного конденсатора, в результате чего происходит изменение показателя преломления полупроводниковых слоев.The compact electro-optical modulator is based on a visible-wavelength metal-oxide-semiconductor (MOS) integrated capacitor with a one-dimensional silicon photonic nanocavity. A MOS capacitor is a sequence of layers of ITO/SiO 2 /Si (hereinafter ITO: indium tin oxide). Electro-optical modulation is achieved by switching the voltage across the plates of a given capacitor, resulting in a change in the refractive index of the semiconductor layers.

Фотонная интегральная схема включает диод на основе полупроводник-диэлектрик-полупроводник структуры (ПДП-структура) в составе оптического волновода. Данный оптический волновод входит в состав оптического модулятора, например, интерферометра Маха-Цендера. Барьерный диэлектрический слой представляет собой оксид или материал с высоким показателем поглощения. Полупроводниковые слои в диоде на основе ПДП-структуры могут включать в себя геометрические элементы (такие как периодический узор из отверстий или канавок), которые формируют оптический волновод на фотонном кристалле со смещенной решеткой, имеющий более низкую групповую скорость света, чем групповая скорость света в другом полупроводниковом слое без геометрических особенностей. Приложение электрического напряжения к полупроводниковым слоям приводит к изменению показателя преломления части материала в оптическом волноводе, что в свою очередь вызывает модуляцию проходящего через волновод оптического сигнала.The photonic integrated circuit includes a diode based on a semiconductor-dielectric-semiconductor structure (SDI-structure) as part of an optical waveguide. This optical waveguide is part of an optical modulator, for example, a Mach-Zehnder interferometer. The dielectric barrier layer is an oxide or material with a high absorption rate. The semiconductor layers in a DMA diode may include geometric elements (such as a periodic pattern of holes or grooves) that form an optical waveguide on a lattice-shifted photonic crystal having a group speed of light lower than that of another semiconductor layer without geometric features. The application of an electrical voltage to the semiconductor layers leads to a change in the refractive index of part of the material in the optical waveguide, which in turn causes modulation of the optical signal passing through the waveguide.

К недостаткам данных технических устройств (компактного электрооптического модулятора и фотонной интегральной схемы) можно отнести то, что конструкции устройств предназначены для модуляции сигналов видимого и/или ближнего ИК диапазонов длин волн, проходящих через волноводный тракт. Это приводит к маленькому размеру области, в которой осуществляется модуляция сигнала (порядка 1 мкм), что не позволяет использовать данные решения, например, для параметрического зашумления объектов остекления большой площади с целью предотвращения удаленного считывания информации.The disadvantages of these technical devices (compact electro-optical modulator and photonic integrated circuit) include the fact that the device designs are designed to modulate signals in the visible and/or near-IR wavelength ranges passing through the waveguide path. This leads to a small size of the area in which the signal is modulated (about 1 μm), which does not allow these solutions to be used, for example, for parametric noise of large-area glazing objects in order to prevent remote reading of information.

Таким образом, не было обнаружено технических решений, представляющих собой пленочную структуру, обеспечивающую модуляцию ИК-сигналов, при этом пленочная структура прозрачна в видимом диапазоне длин волн.Thus, no technical solutions have been discovered that represent a film structure that provides modulation of IR signals, while the film structure is transparent in the visible wavelength range.

Техническим результатом работы предлагаемого устройства является модуляция фазы проходящего через прозрачную многослойную пленочную структуру ИК-излучения, когда на проводящие слои, между которыми располагается слой прозрачного пьезоэлектрика этой структуры, подают напряжение - разность потенциалов. В результате использования предлагаемого технического решения прозрачная многослойная пленочная структура позволяет обеспечить параметрическое зашумление ИК-сигналов с целью предотвращения удаленного считывания информации, вследствие изменения фазы.The technical result of the operation of the proposed device is the modulation of the phase of IR radiation passing through a transparent multilayer film structure, when a voltage - a potential difference - is applied to the conductive layers, between which a transparent piezoelectric layer of this structure is located. As a result of using the proposed technical solution, a transparent multilayer film structure allows for parametric noise of IR signals in order to prevent remote reading of information due to phase changes.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Оптически прозрачное устройство представляет собой многослойную структуру, включающую в свой состав слои прозрачного пьезоэлектрика, прозрачные проводящие слои и диэлектрические согласующие слои. Функционирование устройства заключается в подаче напряжения на прозрачные проводящие слои, между которыми располагается слой прозрачного пьезоэлектрика, в результате чего происходит изменение геометрической и, как следствие, оптической толщины прозрачных пьезоэлектрических слоев, что приводит к модуляции фазы прошедшего сквозь данное устройство ИК-излучения.The optically transparent device is a multilayer structure that includes layers of transparent piezoelectric material, transparent conductive layers and dielectric matching layers. The operation of the device consists of applying voltage to transparent conductive layers, between which a layer of transparent piezoelectric is located, resulting in a change in the geometric and, as a consequence, optical thickness of the transparent piezoelectric layers, which leads to modulation of the phase of IR radiation passing through this device.

В качестве прозрачных пьезоэлектрических слоев могут применяться слои прозрачной в видимом диапазоне пьезоактивной среды, например, на основе керамики со структурой перовскита (титаната-цирконата двухвалентного металла, например, свинца (PZT) или др.) или полимера (например, на основе поливинилденфторида и его сополимеров) толщиной до нескольких десятков микрометров. В качестве прозрачных проводящих слоев могут применяться нанометровые (прозрачные для видимого диапазона длин волн) слои металлов, например, серебра или меди, либо слои прозрачных проводящих широкозонных полупроводников, такие как ITO, легированный цинком оксид алюминия, оксид индия, оксид галлия, оксид цинка и оксид индия, галлия и цинка. В качестве согласующих слоев могут применяться прозрачные в видимом диапазоне диэлектрические среды с существенно отличающимися показателями преломления, например, такие, как SiO2, ТiО2 и ZiO2. Толщины слоев подбираются исходя из требований к величине модуляции сигнала и диапазону частот.As transparent piezoelectric layers, layers of a piezoactive medium transparent in the visible range can be used, for example, based on ceramics with a perovskite structure (divalent metal titanate-zirconate, for example, lead (PZT) or others) or a polymer (for example, based on polyvinylidene fluoride and its copolymers) up to several tens of micrometers thick. Transparent conductive layers can be nanometer-scale (transparent to visible wavelengths) layers of metals such as silver or copper, or layers of transparent conductive wide-gap semiconductors such as ITO, zinc-doped alumina, indium oxide, gallium oxide, zinc oxide, and indium, gallium and zinc oxide. Dielectric media transparent in the visible range with significantly different refractive indices, for example, such as SiO 2 , TiO 2 and ZiO 2 , can be used as matching layers. The thickness of the layers is selected based on the requirements for the amount of signal modulation and the frequency range.

Для уменьшения акустических шумов подача управляющего напряжения на слои осуществляется таким образом, чтобы изменение геометрии пьезоактивных слоев (прозрачных пьезоэлектрических слоев) не приводило к существенному изменению совокупной толщины структуры и смещению ее центра масс.To reduce acoustic noise, control voltage is applied to the layers in such a way that changing the geometry of the piezoactive layers (transparent piezoelectric layers) does not lead to a significant change in the total thickness of the structure and a displacement of its center of mass.

Особенностью данного устройства является то, что оно позволяет выполнять модуляцию сигнала в ИК-диапазоне длин волн, при этом являясь прозрачным в видимом диапазоне длин волн. Кроме того, размер активной области устройства можно сделать достаточно большим (например, площадью в несколько квадратных метров). Ограничения по размеру определяются технологическими возможностями установки, на которой производится нанесение слоев данного устройства.A special feature of this device is that it allows signal modulation in the IR wavelength range, while being transparent in the visible wavelength range. In addition, the size of the active region of the device can be made quite large (for example, an area of several square meters). Size restrictions are determined by the technological capabilities of the installation on which the layers of this device are applied.

Поясним работу устройства на примере расчета модуляции фазы прошедшего сигнала ИК-диапазона через многослойную структуру, состоящую из слоев, расположенных в следующем порядке: слой ITO, слой пьезоэлектрического материала (PZT), слой ITO, слой Si02, слой ITO, слой пьезоэлектрического материала (PZT), слой ITO, при расчетах полагалось, что напряжение подается на слои ITO.Let us explain the operation of the device using the example of calculating the phase modulation of the transmitted IR signal through a multilayer structure consisting of layers arranged in the following order: ITO layer, piezoelectric material layer (PZT), ITO layer, SiO2 layer, ITO layer, piezoelectric material layer (PZT ), ITO layer, in the calculations it was assumed that voltage is applied to the ITO layers.

Численные эксперименты были проведены на примере структур со следующими толщинами слоев:Numerical experiments were carried out on the example of structures with the following layer thicknesses:

- 20 нм ITO, 200 нм PZT, 200 нм SiO2 (структура №1);- 20 nm ITO, 200 nm PZT, 200 nm SiO 2 (structure No. 1);

- 200 нм ITO, 200 нм PZT, 200 нм SiO2 (структура №2);- 200 nm ITO, 200 nm PZT, 200 nm SiO 2 (structure No. 2);

- 500 нм ITO, 200 нм PZT, 200 нм SiO2 (структура №3);- 500 nm ITO, 200 nm PZT, 200 nm SiO 2 (structure No. 3);

Удельное сопротивление слоя ITO было взято равным 3⋅10-5 Ом⋅м.The resistivity of the ITO layer was taken equal to 3⋅10 -5 Ohm⋅m.

Пьезоэлектрический коэффициент слоев PZT был выбран равным 289 пКл/Н.The piezoelectric coefficient of the PZT layers was chosen to be 289 pC/N.

Для расчета свойств многослойных «одномерных» систем (таких, как экранирующий слой на толстой подложке или многослойные оптические покрытия) удобно использовать матрицы переноса [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982], [Калитеевский М.А., Кавокин А.В. // ФТТ. 1995. Т. 37. Вып.10. С.2721-2728], так как матрица переноса системы последовательно соединенных подсистем может быть найдена путем матричного умножения матриц переноса подсистем в порядке, соответствующем последовательности их соединения.To calculate the properties of multilayer “one-dimensional” systems (such as a shielding layer on a thick substrate or multilayer optical coatings), it is convenient to use transfer matrices [Landau L.D., Lifshits E.M. Electrodynamics of continuous media. M.: Nauka, 1982], [Kaliteevsky M.A., Kavokin A.V. // FTT. 1995. T. 37. Issue 10. P.2721-2728], since the transfer matrix of a system of sequentially connected subsystems can be found by matrix multiplication of the transfer matrices of subsystems in the order corresponding to the sequence of their connection.

Дальнейшие выкладки основаны на следующих уравнениях Максвелла (записанных для системы СИ) и граничных условиях:Further calculations are based on the following Maxwell equations (written for the SI system) and boundary conditions:

где H - напряженность магнитного поля, Е - напряженность электрического поля, D - электрическая индукция, В - магнитная индукция, j - плотность тока, обусловленного макроскопическим переносом заряда - векторы, кроме того, ρ - плотность заряда, n - нормаль поверхности раздела сред, а нижние индексы (1 и 2) обозначают номер среды, ∇ - дифференциальный оператор набла, при этом:where H is the magnetic field strength, E is the electric field strength, D is electrical induction, B is magnetic induction, j is the current density due to macroscopic charge transfer - vectors, in addition, ρ is the charge density, n is the normal of the interface, and the subscripts (1 and 2) denote the number of the environment, ∇ is the differential operator, and:

∇ × Н ≡ rot Н, аналогично для Е,∇ × Н ≡ rot Н, similarly for E,

∇ ⋅ D ≡ div D, аналогично для В.∇ ⋅ D ≡ div D, similarly for B.

Также, если явно не указано обратное, будут учитываться только линейные эффекты, не будут учитываться магнитоэлектрические эффекты, пространственная дисперсия и некоторые другие усложняющие описание явления, в связи с чем далее полагается:Also, unless explicitly stated otherwise, only linear effects will be taken into account; magnetoelectric effects, spatial dispersion and some other phenomena that complicate the description will not be taken into account, and therefore it is further assumed:

где и - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости (тензоры второго ранга). Для изотропных сред вместо этих тензоров могут использоваться скалярные относительные проницаемости ε и μ.Where And - relative dielectric and magnetic permeabilities (tensors of the second rank). For isotropic media, the scalar relative permeabilities ε and μ can be used instead of these tensors.

ε0 и μ0 - электрическая и магнитная постоянные соответственно.ε 0 and μ 0 are the electric and magnetic constants, respectively.

Из условий (5) и (6) в задаче об одиночной падающей плоской волне следует равенство набега фазы волн по обе стороны границы при смещении вдоль поверхности раздела сред, в связи с чем проекция волнового вектора на плоскость раздела сред должна быть одинакова по обе стороны границы. Вместе с тем, для изотропного материала, вне зависимости от ориентации волнового вектора, выполняется следующее равенство:From conditions (5) and (6) in the problem of a single incident plane wave it follows that the wave phase incursion on both sides of the boundary is equal when displaced along the interface between the media, and therefore the projection of the wave vector onto the interface between the media must be the same on both sides of the boundary . At the same time, for an isotropic material, regardless of the orientation of the wave vector, the following equality holds:

где k - волновой вектор, k0 ≡ ω/с, ω - частота электромагнитной волны, с - скорость света.where k is the wave vector, k 0 ≡ ω/s, ω is the frequency of the electromagnetic wave, c is the speed of light.

Выбрав систему координат (Декартову систему координат 0xyz) таким образом, чтобы волновой вектор лежал в плоскости yz, находим:Having chosen a coordinate system (Cartesian coordinate system 0xyz) so that the wave vector lies in the yz plane, we find:

где θ - угол падения волны относительно оси z в свободном пространстве, то есть угол падения волны на границу раздела сред из пространства (полупространста) вне многослойной структуры.where θ is the angle of incidence of the wave relative to the z axis in free space, that is, the angle of incidence of the wave on the interface between media from space (half-space) outside the multilayer structure.

Рассмотрим два случая: падение под углом θ к нормали границы раздела сред s-поляризованной (ТЕ - от анг. Transverse Electric) волны и р-поляризованной (ТМ - от анг. Transverse Magnetic) волны. В дальнейших рассуждениях будем обозначать амплитуды и другие характеристики прямо и обратно распространяющихся волн индексами «+» и «-», а обозначения их величин, справедливых для одного из полупространств, снабжать апострофом (обозначения соответствующих величин для второго полупространства будут даны без апострофа).Let's consider two cases: an s-polarized (TE - from Transverse Electric) wave and a p-polarized (TM - from Transverse Magnetic) wave falling at an angle θ to the normal of the interface. In further discussions, we will denote the amplitudes and other characteristics of forward and backward propagating waves by the indices “+” and “-”, and the designations of their values valid for one of the half-spaces will be provided with an apostrophe (the designations of the corresponding values for the second half-space will be given without an apostrophe).

В случае s-поляризации в выбранной системе координат вектор Е всюду направлен вдоль оси х. Таким образом, в соответствии с уравнением (2), для компоненты Н, направленной вдоль границы раздела сред, справедливо:In the case of s-polarization in the chosen coordinate system, the vector E is everywhere directed along the x axis. Thus, in accordance with equation (2), for the H component directed along the interface, the following is true:

Принимая в расчет условия (5) и (6), находим:Taking conditions (5) and (6) into account, we find:

Таким образом, матрица переноса электрической составляющей волн с s-поляризацией на границе раздела сред имеет следующий вид:Thus, the transfer matrix of the electrical component of waves with s-polarization at the interface has the following form:

Матрица переноса, связывающая амплитуды волн (любой поляризации) у границ слоя толщины h с внутренней стороны, имеет следующий вид:The transfer matrix connecting the amplitudes of waves (of any polarization) at the boundaries of a layer of thickness h on the inner side has the following form:

где i - мнимая единица.where i is the imaginary unit.

Таким образом, матрица переноса, связывающая электрические амплитуды s-поляризованных волн снаружи от границ слоя толщины h, находящегося в вакууме, может быть вычислена следующим образом:Thus, the transfer matrix relating the electrical amplitudes of s-polarized waves outside the boundaries of a layer of thickness h located in a vacuum can be calculated as follows:

Перемножая матрицы в уравнении (18) и производя замены на основании приведенных выше равенств, находим:Multiplying the matrices in equation (18) and making substitutions based on the above equalities, we find:

где I - единичная матрица.where I is the identity matrix.

Аналогичным образом могут быть получены матрицы переноса для магнитной составляющей р-поляризованных волн на границе раздела сред и снаружи от границ слоя толщиной h:In a similar way, transfer matrices can be obtained for the magnetic component of p-polarized waves at the interface between the media and outside the boundaries of a layer of thickness h:

В однородном изотропном материале справедливо следующее соотношение между электрической и магнитной компонентами плоской электромагнитной волны:In a homogeneous isotropic material, the following relationship between the electric and magnetic components of a plane electromagnetic wave is valid:

где - волновое сопротивление вакуума.Where - wave impedance of vacuum.

Следовательно, переход от магнитных матриц переноса к электрическим может быть осуществлен следующим образом:Consequently, the transition from magnetic transfer matrices to electric ones can be carried out as follows:

Применяя выражение (23) к (20) и (21), находим:Applying expression (23) to (20) and (21), we find:

Таким образом, распространение плоской монохроматической волны, падающей под углом θ к нормали, через находящийся в вакууме однородный изотропный слой материала толщиной h описывается следующими уравнениями:Thus, the propagation of a plane monochromatic wave incident at an angle θ to the normal through a homogeneous isotropic layer of material with thickness h in a vacuum is described by the following equations:

где или - компоненты матрицы переноса (Т) для s- и р- поляризации падающей волны, соответственно.Where or - components of the transfer matrix (T) for s- and p- polarization of the incident wave, respectively.

В случае тонкого электропроводящего слоя необходимо учитывать вклад удельной проводимости в эффективную диэлектрическую проницаемость. На частотах, существенно меньших плазменной частоты (т.е. когда можно считать, что заряды в проводнике реагируют на поле мгновенно), это можно выразить следующим образом:In the case of a thin electrically conductive layer, it is necessary to take into account the contribution of specific conductivity to the effective dielectric constant. At frequencies significantly lower than the plasma frequency (i.e., when the charges in the conductor can be considered to respond to the field instantly), this can be expressed as follows:

где ε2 - мнимая часть диэлектрической проницаемости, σ - удельная проводимость, ε0 - электрическая постоянная.where ε 2 is the imaginary part of the dielectric constant, σ is the specific conductivity, ε 0 is the electrical constant.

На достаточно низких частотах, когда вклад удельной проводимости в эффективную диэлектрическую проницаемость оказывается определяющим, толщина скин-слоя может быть определена следующим образом:At sufficiently low frequencies, when the contribution of specific conductivity to the effective dielectric constant is decisive, the thickness of the skin layer can be determined as follows:

где μ0 - магнитная постоянная.where μ 0 is the magnetic constant.

В соответствии с этим уравнение (26) для электропроводящего слоя переписывается следующим образом:In accordance with this, equation (26) for the electrically conductive layer is rewritten as follows:

где RS - поверхностное сопротивление материала.where R S is the surface resistance of the material.

Прохождение волны через структуру можно описать следующим выражением:The passage of a wave through a structure can be described by the following expression:

где а - вектор, описывающий поле на выходе из системы, b - вектор, описывающий поле на входе в систему, Т - матрица переноса для диэлектрического (26) или электропроводящего (32) слоя.where a is a vector describing the field at the output of the system, b is a vector describing the field at the input to the system, T is the transfer matrix for the dielectric (26) or electrically conductive (32) layer.

где b[0] - напряженность электрического поля падающей волны на входе, b[1] - напряженность электрического поля отраженной волны на входе, а[0] - напряженность электрического поля прошедшей волны на выходе, а[1] - напряженность электрического поля обратно распространяющейся волны на выходе (если за рассматриваемой системой вакуум, то а[1]=0).where b[0] is the electric field strength of the incident wave at the input, b[1] is the electric field strength of the reflected wave at the input, and [0] is the electric field strength of the transmitted wave at the output, and [1] is the electric field strength of the backpropagating wave waves at the output (if there is a vacuum behind the system under consideration, then a[1] = 0).

Так как матрица переноса квадратная 2x2, можно записать:Since the transfer matrix is square 2x2, we can write:

Поскольку а[1]=0, выражения (37) и (38) переписываются следующим образом:Since a[1]=0, expressions (37) and (38) are rewritten as follows:

Для расчета изменения фазы проходящей через структуру волны необходимо смотреть на изменение прошедшей волны по отношению к падающей, что описывает уравнение (39). Информация об изменении фазы будет заключена в Т11.To calculate the change in phase of a wave passing through a structure, it is necessary to look at the change in the transmitted wave relative to the incident wave, which is described by equation (39). Information about the phase change will be contained in T 11 .

Поскольку матрица Т комплексная, изменение фазы проходящей волны может быть вычислено следующим образом:Since the matrix T is complex, the change in phase of the transmitted wave can be calculated as follows:

Модуляция фазы проходящего сигнала в зависимости от прикладываемого напряжения может быть вычислена следующим образом:The phase modulation of the transmitted signal as a function of the applied voltage can be calculated as follows:

где МФ - модуляция фазы, V1 и V2 - напряжения, прикладываемые к проводящим слоям (индексы обозначают различные значения, прикладываемых напряжений).where MF is phase modulation, V 1 and V 2 are voltages applied to the conductive layers (indices indicate different values of applied voltages).

На основе представленной выше модели был проведен численный эксперимент по расчету модуляции фазы прошедшего сигнала описанной выше многослойной структуры в спектральном диапазоне 780-2600 нм. Фаза прошедшей через структуру волны в моделируемом спектральном диапазоне колеблется в пределах от -π до π. Модуляция фазы в данном спектральном диапазоне, которая является разностью фаз, прошедшей через рассматриваемую структуру волны при напряжениях 0 и 50 В, лежит в пределах от 0 до π.Based on the model presented above, a numerical experiment was carried out to calculate the modulation of the phase of the transmitted signal of the multilayer structure described above in the spectral range of 780-2600 nm. The phase of the wave passing through the structure in the simulated spectral range ranges from -π to π. The phase modulation in a given spectral range, which is the phase difference passed through the wave structure under consideration at voltages of 0 and 50 V, lies in the range from 0 to π.

Среднее значение модуляции фазы для рассматриваемого спектрального диапазона составило 0,1244 рад для структуры №1,0,1017 рад - для структуры №2 и 0,1304 рад - для структуры №3.The average value of phase modulation for the spectral range under consideration was 0.1244 rad for structure No. 1, 0.1017 rad for structure No. 2 and 0.1304 rad for structure No. 3.

Таким образом достигнут обозначенный выше технический результат.Thus, the technical result indicated above has been achieved.

Claims (1)

Устройство для модуляции ИК-излучения, представляющее собой многослойную структуру, состоящую из слоев, расположенных в следующем порядке: слой ITO, слой пьезоэлектрического материала PZT, слой ITO, слой SiO2, слой ITO, слой пьезоэлектрического материала PZT, слой ITO, при этом слои прозрачного пьезоэлектрика PZT имеют толщину 200 нм, слои широкозонного полупроводника ITO имеют толщину от 20 до 500 нм, диэлектрический согласующий слой - прозрачная среда, такая, как SiO2 - имеет толщину 200 нм, а функционирование такой многослойной структуры заключается в том, что, когда на слои широкозонного полупроводника ITO, между которыми располагается слой прозрачного пьезоэлектрика PZT, подают напряжение, происходит изменение геометрической и, как следствие, оптической толщины слоев прозрачного пьезоэлектрика PZT, что приводит к модуляции фазы проходящего ИК-излучения.A device for modulating IR radiation, which is a multilayer structure consisting of layers arranged in the following order: ITO layer, PZT piezoelectric material layer, ITO layer, SiO 2 layer, ITO layer, PZT piezoelectric material layer, ITO layer, and layers transparent piezoelectric PZT have a thickness of 200 nm, wide-gap semiconductor ITO layers have a thickness from 20 to 500 nm, the dielectric matching layer - a transparent medium such as SiO 2 - has a thickness of 200 nm, and the functioning of such a multilayer structure is that when A voltage is applied to the layers of the wide-gap semiconductor ITO, between which a layer of transparent piezoelectric PZT is located, and a change occurs in the geometric and, as a consequence, optical thickness of the layers of transparent piezoelectric PZT, which leads to modulation of the phase of the transmitted IR radiation.
RU2023108074A 2023-03-31 Optically transparent device for ir signal modulation RU2809776C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2809776C1 true RU2809776C1 (en) 2023-12-18

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9535308B2 (en) * 2013-09-25 2017-01-03 Oracle International Corporation Enhanced optical modulation using slow light
RU2649062C1 (en) * 2016-12-07 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФГБУН ФИАН) Optical modulator
US10732441B2 (en) * 2018-01-10 2020-08-04 Oregon State University Nano-cavity modulator device and method of manufacture and use
RU213472U1 (en) * 2022-06-22 2022-09-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Transparent electrode with asymmetric light transmission

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9535308B2 (en) * 2013-09-25 2017-01-03 Oracle International Corporation Enhanced optical modulation using slow light
RU2649062C1 (en) * 2016-12-07 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФГБУН ФИАН) Optical modulator
US10732441B2 (en) * 2018-01-10 2020-08-04 Oregon State University Nano-cavity modulator device and method of manufacture and use
RU213472U1 (en) * 2022-06-22 2022-09-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Transparent electrode with asymmetric light transmission

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5155617A (en) Electro-optic attenuated total internal reflection modulator and method
Kim et al. Silicon electro-optic modulator based on an ITO-integrated tunable directional coupler
US7162109B2 (en) Optical modulator and method of manufacturing same
US4655554A (en) Spatial light modulator having a capacitively coupled photoconductor
JP7018564B2 (en) Optical scanning device, optical receiving device, and optical detection system
JP2022100389A (en) Optical scanning device, optical receiving device, and optical detection system
US4451123A (en) High frequency light modulation device
JP7162266B2 (en) Optical scanning device, optical receiving device, and optical detection system
US8879138B2 (en) Surface plasmon polariton modulator
JP7162269B2 (en) optical device
WO2019130720A1 (en) Optical scanner, optical receiver, and optical detection system
WO2019187681A1 (en) Optical device and light detection system
JP6998395B2 (en) Reflective spatial light modulator, light observation device and light irradiation device
WO2018061515A1 (en) Optical scan device, light receiving device, and optical detection system
US4723077A (en) Dual liquid crystal light valve based visible-to-infrared dynamic image converter system
JP2019028438A (en) Optical scan device, light reception device, and optical detection system
Razi et al. Tunable photonic crystal wavelength sampler with response in terahertz frequency range
US3307897A (en) Light modulator
Ouchani et al. Optical transmission properties of an anisotropic defect cavity in one-dimensional photonic crystal
US3854795A (en) Light modulation device
RU2809776C1 (en) Optically transparent device for ir signal modulation
US3726585A (en) Electrically modulated radiation filters
KR102529893B1 (en) Meta-structure and tunable optical device including the same
RU2802548C1 (en) Transparent structure for microwave signal modulation
WO2020209049A1 (en) Optical device and method for producing same