Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УЗКОПОЛОСНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО
УЗКОПОЛОСНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО

УЗКОПОЛОСНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: для создания структурно стабилизированных узкополосных фильтров, логических оптических элементов и пикосекундных ключей УФ, видимого и ИК диапазона частот. Сущность изобретения: в узкополосном тонкопленочном интерферометре Фабри-Перо, содержащем подложку, два тонкопленочных зеркала и расположенный между ними промежуточной слой, этот слой выполнен из материала с низким показателем преломления, в котором расположены микрокристаллы, сформированные из материала с высоким показателем преломления и имеющие размер d, определяемый из соотношения 0,2aБ<d<λ>e,нм, где aБe - боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона высокопреломляющего материала. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2078358
Класс(ы) патента: G02B5/28
Номер заявки: 94025412/28
Дата подачи заявки: 05.07.1994
Дата публикации: 27.04.1997
Заявитель(и): Демин Андрей Васильевич
Автор(ы): Гончарова Ольга Викторовна[BY]; Демин Андрей Васильевич[RU]
Патентообладатель(и): Демин Андрей Васильевич
Описание изобретения: Изобретение относится к оптоэлектронике и интегральной оптике и может быть использовано для создания структурно стабилизированных узкополосных интерференционных фильтров, логических оптических элементов и пикосекундных оптических ключей УФ, видимого и ИК-диапазона частот.
Известен объемный интерферометр Фабри-Перо (ИФП). Он представляет собой две стеклянные или кварцевые пластинки, расположенные на некотором расстоянии L друг от друга, так что между внутренними поверхностями образуется плоско-параллельный зазор, заполняемый любой средой. На обращенные друг к другу плоскости наносятся отражающие покрытия зеркала с высоким коэффициентом отражения R. В качестве зеркал использовались как металлические слои, так и многослойные диэлектрические покрытия. ИФП является многолучевым спектральным прибором с двумерной дисперсией и высокой разрешающей способностью. При прохождении через ИФП сплошного излучения происходит его пространственные разложение в спектр, а при достижении нелинейного режима работы ИФП изменение оптических параметров его промежуточного слоя приводит к изменению интенсивности света на заданной длине волны (A.Szoke, V. Danev, J.Goldhar, N. A.Kurnit. Appl.Phys.Lett.1969, Vol.15, N.11, P.376-378). С 1979 г. известные ИФП используются как логические оптические элементы (H.M.Gibbs. Optical Bistability: Controlling Light with Light. N.Y. 1985).
Известны ИФП, состоящие из плоскопараллельной монокристаллической пластины и отражающих зеркал, которые могут быть как внешними, так и напыленными непосредственно на полированные поверхности пластины. Известные ИФП были реализованы на основе кристалла InSb (L ≈ 0.5 мм), охлажденного до 5 К, с использованием естественного френелевского отражения (R 36%) от его поверхности. При падении на интерферометр мощного излучения интенсивностью I меняются оптические параметры его нелинейного слоя и, как результат, интенсивность прошедшего излучения. Нелинейная рефракция известных ИФП вызывается насыщением поглощения на межзонном переходе с характерным временем переключения τsw≈ 500 нс при мощности падающего излучения P ≈ 8 мВт (D.A.B. Miller, M. H.Mozolowski, A.Miller, S.D.Smith. Opt. Commun. 1978. V.27, N.1, P. 133-136). Известный ИФП, содержащий в качестве промежуточного слоя монокристалл GaAs, а в качестве зеркал тонкопленочные диэлектрические покрытия с R ≈ 90% более сложен по конструкции. Промежуточный слой GaAs толщиной L ≈ 4.1 мкм, выращенный методжом молекулярной эпитаксии между двумя слоями из Al0.42Ga0.58As толщиной по 1 ≈ 0.2 мкм каждый, расположен на 150-микрометровой подложке из GaAs. В последней для прохождения светового пучка вытравливается отверстие диаметром 1-2 мм, после чего на систему напыляются отражающие покрытия. ИФП использует изменение показателя преломления за счет насыщения поглощения свободных экситонов, в силу чего обладает более короткими временами переключения, но более высоким энергетическим порогом (τsw≈ 40 нс и P ≈ 200 мВт соответственно) (H.M.Gibbs, T.N.C. Vencatesan, S.L.McCall et al. Appl. Phys.Lett. 1979, V.34, N.8, P.511-514).
К недостаткам известных ИФП этого вида можно отнести большую массу и, как следствие, невозможность применения в интегральной оптике. Известные ИФП отличаются также возможностью работы только при криогенных температурах (от 4 К до 120 К).
Известен также ИФП, в котором промежуточный слой представляет собой сверхрешетку, состоящую из 61 пары чередующихся микрослоев GaAs (1 ≈ 33.6 нм) и Al0.21Ga0.79As (L ≈ 40.1 нм) (с общей толщиной L ≈ 12 мкм), границы раздела которых играют роль потенциальных барьеров, значительно увеличивающих энергию связи свободных экситонов (H.M.Gibbs, S.S.Tarng, J.L.Jewell et al. Appl. Phys. Lett. 1982, Vol.41, N.3, P. 221-222). Устройство на основе сверхрешетки в GaAs остается лучшим из реализованных элементов оптической логики. При толщине L ≈ 3 мкм и диаметре рабочей области ⊘ ≈ 10 мкм, энергия и время переключения при комнатной температуре составляют соответственно E ≈ 0.6 пДж (I ≈ 500 Вт/см2) и τsw≈ 200 пс (L.L.Jewell, S.L.McCall, A.Scherer et al. Appl. Phys.Lett. 1989. Vol.5, N.1, P.55-57).
В известных устройствах при больших длительностях воздействия входное излучение приводит к нагреву ИФП, разрушающему экситонную нелинейность, благодаря чему удерживать устройство в состоянии высокого пропускания удается лишь в течение нескольких микросекунд.
Известен также объемный ИФП, в котором промежуточный слой изготавливают в виде квазинульмерной структуры с трехмерным пространственным ограничением движения носителей (в сверхрешетках это ограничение одномерно). Конструкция известного ИФП достаточно проста плоскопараллельная пластина коммерческого стекла марки Hoya Y-52 толщиной l ≈ 300 мкм с разнесенными на L ≈ 600 мкм внешними плоскопараллельными зеркалами с R 90% Основным недостатком долгое время являлась медленная тепловая нелинейность, используемая для логического переключения ( при мощности возбуждения P ≈ 18 мВт время переключения τsw≈1мс) (S.L.McCall, H.M.Gibbs. - J.Opt.Soc.Amer.A. 1978, Vol. 68, N.10, P. 1378-1381). Бистабильный отклик ИФП за счет пикосекундной электронной нелинейности, обусловленной размерным квантованием движения электронно-дырочной подсистемы, был зарегистрирован J.Yumoto, S.Fukushima, K.Kubodera. Opt.Lett. 1987, Vol.12, N.10, P.832-834. При диаметре рабочей области ≈ 10 мкм, энергия и время переключения известного ИФП составляют E ≈ 10 пДж (I ≈ 6 кВт/см2) и τsw≈ 25 пс, работа при комнатной температуре).
Известное устройство по причине того, что технология синтеза окрашенных стекол не позволяет поднять объемную концентрацию микрокристаллов выше единиц процентов и ограничивает выбор исходных материалов (и матрицы и микрокристаллов), ограничено в спектральном диапазоне рабочих частот и не может быть изготовлено в виде тонкопленочного элемента Фабри-Перо.
Наиболее близким по технической сущности заявляемого изобретения является многослойный тонкопленочный интерферометр Фабри-Перо (ТПИ) на основе высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов, например соединений A2B6, A3B5 и их растворов, представляющий собой многослойную систему, сформированную на оптически прозрачной подложке, и состоящий из двух тонкопленочных диэлектрических зеркал, выполненных из чередующихся слоев двух материалов с высоким nB и низким nH показателями преломления, имеющих оптическую толщину, равную четверти длины волны, на которую рассчитано пропускание интерферометра, и геометрическую толщину lB и lH, задаваемую соотношением
lвnв= lнnн= λm/4,
где λm длина волны пика пропускания интерферометра, и промежуточного слоя из материала с показателем преломления n, имеющего оптическую толщину, на которой укладывается m полупериодов рабочей длины волны интерферометра λm, и геометрическую толщину l, задаваемую соотношением
ln=mλm/2,
где m порядок интерференции, между ними.
В качестве промежуточного слоя в известных ТПИ применяются однокомпонентные пленки произвольной структуры. Спектральные и нелинейные эксплуатационные характеристики известных ТПИ задаются оптической толщиной и материалом промежуточного слоя.
Были изготовлены узкополосные интерференционные фильтры, ТПИ-переключатели и логические элементы на основе целого ряда высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов. Чрезвычайно большой интерес к ТПИ-переключателям связан с принципиальной возможностью создания приборов на основе хорошо освоенного технологами вакуумного напыления интерференционных структур (R. J. Campbell, J. G.H.Mathew, S.D.Smith and A.C.Walker. J.Modern Optics. 1989. Vol. 36, N.3, P.323-336).
Конструкция тонкопленочного узкополосного интерферометра Фабри-Перо обычно описывается формулой

где П подложка;
B, H четвертьволновые слои материалов с высоким и низким показателем преломления;
k1 и k2 определяют кратность повторения групп (ВН) и (НВ) и характеризуют толщину (как геометрическую, так и оптическую) и коэффициент отражения низкопреломляющих зеркал интерферометра: входного и выходного
Как правило в используемых интерференционных системах зеркала симметричны(k1 k2 k), а оптимальное число слоев составляет от 6(k3) до 8(k 4). Коэффициенты отражения зеркал при этом варьируются в пределах 85.95% Параметр W2m описывает промежуточный (разделительный) слой интерферометра, на толщине которого укладывается m полупериодов рабочей длины волны. В случае, когда этот слой изготавливается из материала с низким показателем, преломления, обобщенная формула конструкции интерферометра имеет вид
П(ВН)kВН2mВ(НВ)k.
В статическом состоянии узкополосный тонкопленочный интерферометр (ТПИ) (m 2) характеризуется спектром пропускания, приведенным на фиг. 1,a. Основными характеристиками его являются длина волны максимума пропускания λm, величина коэффициента пропускания в максимуме Tmax, ширина полосы пропускания δλ0,5 для значения пропускания, равного половине максимального Tmax/2 (обычно обозначается как δλ), ширина полосы пропускания δλ0,1 для значения пропускания, равного 0.1 Tmax, фоновое пропускание Tmin.
Высокое отражение (низкое пропускание)по обе стороны от Tmax отмечено на сравнительно небольших участках спектра δλk= λ21 и δλd56k - коротковолновая, λd длинноволновая области спектра). Далее, влево от λ1 и вправо от λ6, пропускание возрастает (отражение снижается), что приводит к появлению широких полос высокого пропускания, ухудшающих качество ТПИ, как узкополосного фильтрующего устройства. Последние обычно убираются селективно поглощающими фильтрами (окрашенное стекло и др.), а также селективно отражающими интерференционными зеркалами. Основными характеристиками узкополосного ТПИ, определяющими его хорошее качество, являются высокое светопропускание, приближающееся к 100% малая ширина полосы пропускания δλ, отсутствие фона (Tmin ≈ 0 в областях спектра до λk и λd).
Влияние на максимальное пропускание ТПИ Tmax, определяемое выражением
Tmax T2/(T + A)2,
где Т светопропускание зеркальных покрытий, оказывает поглощение в отражающих покрытиях, A. Светопропускание ТПИ быстро снижается с ростом A, даже при отсутствии поглощения в промежуточном слое.
Существенно влияние на Tmax и различия коэффициентов отражения зеркал, что особенно сильно ощущается при высоких значениях отражения R. Так, например, при отсутствии поглощения в зеркальных покрытиях и промежуточном слое при коэффициентах отражения зеркальных покрытий R1 99% и R2 97% максимальное значение пропускание ТПИ снижается до 75% При более низких значениях коэффициентов отражения зеркальных покрытий их разница сказывается меньше. Например, при R1 90% и R2 95% Tmax 88%
Важной характеристикой узкополосного ТПИ является ширина полосы пропускания, которая в основном определяется коэффициентом отражения зеркальных покрытий. В качестве характеристики полосы пропускания и обычно пользуются величиной δλ0,5 (фиг. 1,a):

Приведенная зависимость показывает, что полоса пропускания ТПИ тем уже, чем выше коэффициент отражения зеркальных покрытий R, выше порядок k, больше дисперсия фазы при отражении от зеркальных покрытий ∂σ/∂λ.. Последняя линейно зависит от порядка k. Как было отмечено выше, максимальное сужение полосы возможно, в первую очередь, за счет увеличения коэффициентов отражения зеркал.
Дополнительной возможностью уменьшения ширины полосы является использование покрытий, отражающих более узкие спектральные области и состоящих из слоев оптической толщиной kλ/4 (k нечетное число). Такие зеркала с максимумом отражения более узким, чем у обычных зеркал из слоев оптической толщиной λ/4, обладают в k раз большей дисперсией фазы ∂σ/∂λ. Однако изготовить такие ТПИ технологически сложно, так как необходимо нанести до 50.100 слоев.
Положение по спектру пропускания λm и величина пропускания в интерференционном пике Tmax узкополосного ТПИ определяют соответственно рабочий диапазон длин волн и контраст ТПИ-элемента как узкополосного фильтра и как логического устройства.
При изготовлении ТПИ широко применяются методы испарения и распыления, а в случае проводящих прозрачных покрытий химического осаждения из паровой фазы. Методы плазменной полимеризации и ионного распыления пока не используются. Распыление и испарение достаточно сложные процессы, включающие распыление или испарение индивидуальных атомов или молекул исходного объемного материала мишени, транспортировку газовой фазы и конденсацию ее на поверхности подложки. Вследствие ряда силовых физических процессов, изменяющих при этом состояние вещества (плавление, испарение и т.п.), число неорганических соединений, удобных для получения итнтерференционных покрытий, существенно ограничено. Из них следует выбрать лишь те, которые в рамках конкретной технологии обеспечивают воспроизводимость стехиометрического состава исходных материалов в пленочных покрытиях, что ограничивает спектральный диапазон рабочих длин волн, где могут быть изготовлены известные ТПИ.
С 1930 г. известные узкополосные ТПИ на основе низкопреломляющих и высокопреломляющих материалов используются как спектральные фильтры (А.Ф. Первеев, Ю.В.Гудкова, А.А.Поплавский, Р.С.Соколова, Э.И.Фадеева, М.Н.Черепанова, З.В.Широкшина. Оптический журнал. 1993. N.2. с. 4 14 Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Оптические свойства и методы исследования. - Л. Машиностроение, 1973), а с 1977 г. еще и в качестве нелинейных оптических устройств для обработки оптического сигнала (Gibbs H.M. Optical Bistability: Controlling Light with Light. N.Y. 1985).
Как оптическое фильтрующее устройство, узкополосные ТПИ работают достаточно просто. Они применяются в технике физического эксперимента и в оптическом приборостроении в тех случаях, когда из сплошного (или линейчатого) спектра источника нужно выделить излучение фиксированной длины волны λm. Естественно, что фильтр при этом должен обеспечивать постоянство длины волны максимуму интенсивности выделяемого излучения. Однако вследствие недостаточной стабильности характеристик применение таких фильтров в жестких климатических условиях весьма ограничено (см. например, работы Захаров Б.М. Рождественский В.Н. Оптико-механическая пром-сть. 1975. N.11. с. 79-80; Левина М. Д. Фурман Ш.А. Оптико-механическая пром-сть. 1973. N 4 с. 63 64). Работа ТПИ как нелинейного (переключающего) устройства описана в статье Эйбрэхэм А. Ситон К.Т. Смит Д. В мире науки. 1983. N 4. с. 15 25. В основе ее лежат зависимости коэффициента пропускания ТПИ

и усредненной по толщине интенсивности поля в его промежуточном слое

от набега фаз δ интерферирующих световых волн при проходе промежуточного слоя

где n показатель преломления;
a коэффициент поглощения;
1 геометрическая толщина промежуточного слоя,
величины R, q и v соответственно коэффициент отражения зеркал, угол между направлением распространения лучей в промежуточном слое и нормалью к нему и скачок фазы при отражении от зеркал.
В случае, когда в качестве промежуточного слоя используется пленочная среда, проявляющая оптическую нелинейность показателя преломления, феноменологически описываемую выражением

где n2 параметр этой нелинейности,
n0 показатель преломления материала промежуточного слоя в слабом световом поле,
наличие всех перечисленных зависимостей приводит к динамическому сдвигу спектра пропускания ТПИ, который служит основой работы ТПИ в качестве оптических переключающих и бистабильных устройств (фиг. 1,б).
Известные оптические переключатели (ключи) (независимо от сложности конструкции) являются элементом, который может находится в двух различных состояниях, характеризующихся высоким (открытое состояние) и низким (закрытое) пропусканием Т на заданной длине волны излучения λвозб. В идеальном ключе в открытом состоянии Т=1, а в закрытом Т=0, переход из одного состояния в другое происходит мгновенно. Основными параметрами оптического ключа являются контраст ключа M=Tо/Tз, где To, Tз пропускание ключа в открытом и закрытом состояниях соответственно; быстродействие, характеризуемое временами включения, выключения и частотой переключения; энергия E0 удержания ключа в закрытом состоянии; энергия E1, с превышением которой ключ всегда находится в открытом состоянии; энергия EB=E1 E0, расходуемая на переключение.
Известные оптические ключи условно можно разделить на ключи с гистерезисом и без него. Они имеют свои области применения в качестве элементной базы систем оптической обработки информации.
Работа узкополосного ТПИ как нелинейного (переключающего) устройства имеет следующее описание (фиг. 1,б). Если первоначально длина волны воздействующего светового пучка находится вдали от пика пропускания ТПИ-элемента (фиг. 1,б, кривая 1, причем знак отстройки противоположен знаку коэффициента нелинейности показателя приломления), то увеличение входной интенсивности смещает контур пропускания ТПИ-элемента в сторону λвозб вследствие светоиндуцированной рефракции (фиг. 1,б, кривая 2). Это смещение приводит к возрастанию плотности поля внутри промежуточного слоя ТПИ-элемента (благодаря интерференционному усилению ), тем самым толкая контур пропускания ТПИ-элемента еще ближе к λвозб. При некоторых условиях этот процесс становится самоподдерживающимся, приобретая лавинообразный характер, и контур ТПИ-элемента скачком переходит в состояние максимального пропускания на длине волны возбуждения (открытое состояние). Здесь плотность светового поля внутри интерферометра особенно велика, и потому контур пропускания ТПИ-элемента продолжает движение за Tmax на длине волны возбуждения до тех пор, пока уменьшение за счет ухода от резонанса не остановит устройство в новом устойчивом состоянии (фиг. 1,б, кривая 3). Поскольку в этом состоянии ТПИ-элемент характеризуется высоким пропусканием, то для удержания его в этой точке требуется меньшая входная интенсивность вследствие почти максимального резонансного усиления Таким образом, существует ключевая зависимость интенсивности выходного светового Iт пучка и плотности мощности светового поля внутри нелинейного слоя ТПИ от интенсивности падающего светового пучка Io (H. M. Gibbs, S. L. McCall, T. N. C. Venkatesan, Optical Engineering. 1980. Vol. 19, N 4. P. 463 468). Выключение ТПИ-элемента происходит за счет уменьшения интенсивности падающего сигнала. Время переключения τsw определяется временем релаксации нелинейности.
Рассмотрение узкополосного ТПИ как реального переключающего устройства предполагает временную воспроизводимость его контура пропускания как в отсутствие светового воздействия, так и после воздействия высоких пиковых интенсивностей Io.
Основным недостатком известного узкополосного ТПИ-элемента является временная нестабильность его спектральных и амплитудных характеристик, а также инерционность теплового механизма нелинейности промежуточного слоя (R. J. Campbell, J. G. H. Mathew, S. D. Smith, A. C. Walker. Appl. Opt. 1990. Vol. 29, N. 5. P. 638 643; G. Ankelhold, F. Mitschke, D. Frerking et al. Appl. Phys. B. 1989. Vcl. 48, N. 1. P. 101 104)
В основу настоящего изобретения положена задача повышения стабильности микроструктуры промежуточного слоя к воздействию лазерного излучения, теплового нагрева и влаги, расширение спектрального диапазона рабочих длин волн, увеличения максимального пропускания в интерференционном пике на заданной длине волны, снижения порога мощности наведения и времени релаксации нелинейного режима в ТПИ при световом воздействии.
Поставленная задача решается тем, что в тонкопленочном интерферометре Фабри-Перо, представляющим собой многослойную систему, сформированную на подложке, и состоящую из двух тонкопленочных диэлектрических зеркал, выполненных из чередующихся слоев двух материалов с высоким nв и низким nн показателями преломления, имеющих оптическую толщину, равную четверти длины волны, на которую рассчитано пропускание интерферометра, где λm длина волны пика пропускания интерферометра, и промежуточного слоя из материала с показателем преломления n, имеющего оптическую толщину, кратную половине длины волны максимального пропускания интерферометра λm и между ними согласно изобретению промежуточный слой формируют методом физического наращивания слоя материала с низким показателем преломления nн и вкрепленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления nв и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2·aБ< d < λe, нм,
где aБ, λe боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона исходного высокопреломляющего материала, в результате чего положение пика пропускания интерферометра по спектру задается соотношением:
lвnв= lнnн= mλm/2,
где Iв, Iн геометрическая толщина высокопреломляющего и низкопреломляющего материала.
Наилучшие параметры узкополосного тонкопленочного интерферометра Фабри-Перо можно получить, если в качестве подложки использовать металл с диэлектрическим покрытием или диэлектрик с высокими коэффициентами теплопроводности, например SiO2, Al2O3, CaF2, AlN, BN, а также полимеры.
Для повышения надежности работы устройства в качестве низкопреломляющего материала промежуточного слоя также используют материалы для ряда: SiO2, Al2O3, CaF2, AlN, BN и полимеры.
С этой же целью целесообразно в качестве высокопреломляющих четвертьволновых слоев зеркал использовать поликристаллические пленки с высокой плотностью упаковки микрокристаллов или двухкомпонентные пленки, формируемые из микрокристаллов высокопреломляющего материала и низкопреломляющей матрицы в случае, когда применяемый при испарении высокопреломляющий материал гигроскопичен или не позволяет получать достаточной плотности упаковки, а в качестве низкопреломляющих четвертьволновых слоев зеркал использовать плотноупакованные микрокристаллические или аморфные пленки, обладающие физико-химическими свойствами герметиков.
При идентичности материала подложки, низкопреломляющих слоев зеркал и промежуточного слоя достигается также снижение величины механических напряжений на границах отдельных слоев и повышение коэффициентов адгезии.
Внесение в качестве промежуточного двухкомпонентного слоя, состоящего из низкопреломляющего (матричного) материала, не изменяющего оптических свойств промежуточного слоя, и вкрапленных в него микрокристаллов высокопреломляющего (рабочего) материала с размером d, определяемым из соотношения:
0,2·aБ< d < λe, нм,
делает тонкопленочный узкополосный интерферометр Фабри-Перо устройством с регулируемой (за счет выбора размера микрокристаллов) величиной пропускания в интерференционном пике на заданной длине волны, энергией достижения нелинейного режима работы и временем его релаксации, а также устойчивым к воздействию лазерного излучения, температуры и влаги за счет исключения процессов перекристаллизации и химической деградации микрокристаллов при использовании в качестве матричного материала соединений, характеризуемых высокой твердостью, негигроскопичностью, возможностью достижения в пленочном покрытии плотности упаковки не менее 0.9 1, стехиометричностью состава, химической нейтральностью, заданными коэффициентами теплопроводности, а также противоположным знаком коэффициентов механических напряжений и линейного расширения по отношению к материалу микрокристаллов. Таковыми могут служить диэлектрические материалы, используемые обычно для герметизации оптических покрытий, в частности, SiO2, Al2O3, CaF2, AlN, BN и полимеры.
Размер микрокристаллов промежуточного слоя должен находится в пределах
0,2·aБ< d < λe, нм,
по следующим соображениям:
для микрокристаллов размера 3·aБ< d < λe существенную роль в формирования нелинейных свойств ТПИ играют размерные эффекты, приводящие, в частности к уменьшению пропускания ТПИ на заданной длине волны и к возможности реализации нелинейного переключения ТПИ в состояние затемнения с пикосекундными временами релаксации (О.В.Гончаров, Г.В.Синицын. Весцi АН БССР, 1990, N 6, с. 21-28);
для микрокристаллов меньшего размера, а именно, d ≅ 3aБ характерны квантово-размерные эффекты, проявляющиеся в коротковолновом сдвиге края поглощения, расширения спектральаных областей фоточувствительности и прозрачности ТПИ, а также в реализации переключения ТПИ в состояние просветления с пикосекундными временами релаксации. Проводимость ТПИ-элементов с таким размером микрокристаллов контролируется малоинерционными механизмами электронного туннелирования (M. Mukherjee, A. Datta, and D. Chakravorty. - Appl, Phys. Lett. 1994. Vol. 64, N 9, P.1159-1161; R.F.Haglung, Jr. and L. Yang, et al. Optics Lett. 1993, Vol. 18, P. 373);
при d<0.2·>aБ размеры частиц высокопреломляющего материала промежуточного слоя настолько малы (меньше единиц нанометров, т.е. порядка нескольких элементарных ячеек исходного материала), что их микроструктура аморфизована и невоспроизводима.
Наличие в предлагаемом ТПИ элементе промежуточного слоя, выполненного из слоя низкопреломляющего материала, легированных микрокристаллами высокопреломляющего материала с размером d,
0,2·aБ< d < λe, нм,
позволяет изготовить узкополосный фильтр с регулируемой (за счет выбора размера микрокристаллов) величиной пропускания в интерференционном пике на заданной длине волны, что в свою очередь позволяет повысить контраст ТПИ, как фильтрующего и переключающего элемента. Использование в качестве материала подложки и низкопреломляющего материала промежуточного слоя фторидов щелочно-галлоидных металлов, твердых оксидных соединений, нитридов алюминия и бора, а также полимерных соединений создают дополнительные преимущества для повышения механической прочности, влагопрочности ТПИ, устойчивости их к термоударам и многократному лазерному воздействию, а также для уменьшения тепловой составляющей при высокой тактовой частоте работы ТПИ-элемента, поскольку указанные выше материалы обладают коэффициентами теплового расширения.
Размещение микрокристаллов высокопреломляющего (нелинейного) материала с размером d, определяемым из соотношения
0,2·aБ< d < λe, нм,
в объеме низкопреломляющего (матричного) материала, не проявляющего нелинейных свойств, позволяет также оптимизировать предлагаемый ТПИ для проявления конкретных механизмов нелинейности (за счет выбора размера микрористаллов d) и структурно стабилизировать его к воздействию лазерного излучения, температуры и влаги) за счет исключения процессов перекристаллизации и химической деградации микрокристаллов при использовании в качестве матричного материала соединений, характеризуемых высокой твердостью, негигроскопичностью, возможностью достижения в пленочном покрытии плотности упаковки не менее 0.9-1, стехиометричностью состава, химической нейтральностью, заданными коэффициентами теплопроводности, а также противоположным знаком коэффициентов механических напряжений и линейного расширения по отношению к материалу микрокристаллов). Таковыми могут служить диэлектрические материалы, используемые обычно для герметизации оптических покрытий, в частности BaF2, CaF2, SiO2, Al2O3, AlN, BN и полимерные соединения.
В предлагаемом элементе выбор материала и размера микрокристаллов промежуточного слоя определяет спектральные характеристики и параметры нелинейности, а тонкопленочная матрица гарантирует консервацию микрокристаллов по отношению к внешним воздействиям и исключение возможности перекристаллизации и возникновения механических напряжений, обеспечивая тем самым высокую лучевую стойкость ТПИ-системы.
Задание спектральных и оптических (в том числе нелинейных свойств ТПИ производится за счет выбора материала, размера и концентрации микрокристаллов промежуточного слоя, а оптимизация параметров нелинейности еще и за счет выбора коэффициентов теплопроводности матрицы и подложки по отношению к микрокристаллам. При этом достаточно просто устраняются проблемы, связанные с диссипацией тепла в промежуточном слое, а именно, в качестве материала зеркал, матрицы и подложки могут применяться соединения с более высокими, чем у микрокристаллов, коэффициентами теплопроводности. В качестве высокопреломляющего материала зеркал в частности применяли ZnS.
В силу действия всех перечисленных факторов, узкополосная интерференционная система как фильтрующее и логическое устройство будет не только удовлетворять требованиям, предъвляемым к качеству таких систем:
показатель преломления (заданный, однородный, воспроизводимый), что обеспечивается стехиометричностью, гомогенностью, воспроизводимостью и временной стабильностью используемых в данном случае пленочных структур;
высокая прозрачность, гарантируемая высокой однородностью и плотностью упаковки пленочных структур;
малое рассеяние, характерное для плотноупакованных мелкокристаллических и аморфных материалов;
геометрическая толщина (заданная, воспроизводимая), оцениваемая по результатам фотометирования в процессе напыления с учетом заданности показателя преломления;
напряжения (низкие, заданные, воспроизводимые) за счет выбора материалов композиции и использования в качестве материала подложки низкопреломляющих слоев зеркал и матричных пленок одного и того же соединения;
высокие коэффициенты адгезии и твердость, близкая к стеклам, также гарантируемые выбором материалов;
температурная стабильность и стойкость к лазерному воздействию, обусловленные химической и структурной стабильностью.
Но и будет обладать новыми спектральными и оптическими свойствами, а именно:
расширенной областью фоточувствительности, прозрачности и оптической нелинейности;
пикосекундными механизмами переключения;
временной стабильностью спектрально-амплитудных характеристик ТПИ в силу структурной и химической стабильности составляющих его пленочных покрытий. Формирование промежуточного слоя ТПИ из высокопреломляющих микрокристаллов с размером d, определяемым из соотношения
0,2·aБ< d < λe, нм,
где аБ, λe боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона исходного высокопреломляющего материала и диэлектрической матрицы производилось двумя методами:
последовательным набором толщины промежуточного слоя дискретными чередующимися микрослоями низкопреломляющего материала произвольной структуры и высокопреломляющего материала кристаллической структуры с размером микрокристаллов d, определяемым из соотношения:
0,2·aБ< d < λe, нм,
испарением многокомпонентных мишеней заданного фазового состава высокопреломляющего и низкопреломляющего материалов. Первый способ физического выращивания промежуточного слоя ТПИ из высокопреломляющих микрокристаллов с размером d и низкопреломляющей матрицы технологически сложен и обеспечивает реализацию квазинульмерных гетеросистем типа микрокристаллической высокопреломляющий слой/низкопреломляющий слой, которые по своим структурным свойствам лишь относительно напоминают композицию микрокристаллы в объеме матрицы. В качестве источника материалов при этом используются специально нелегированные пластины высокопреломляющего и низкопреломляющего материала.
Второй способ технологически проще, но предполагает наличие специально приготовленных многокомпонентных мишеней с фазовым составом, скорректированных в соответствии с условиями осаждения и требуемыми параметрами промежуточного слоя. Режимы формирования промежуточного слоя ТПИ выбирались эмпирически путем параллельного анализа характера и величины сдвига спектров пропускания экспериментальных образцов по отношению к спектрам пленочных эталонов (обладающих свойствами монокристаллов) и соответствующего размера d, оцениваемого методами электронной микроскопии и дифрактометрии на просвет.
В силу сложности спектральной и структурной диагностики промежуточного слоя ТПИ, для такого анализа за счет контроля по сменным свидетелям (в количестве 10 штук) в одном технологическом процессе одновременно осаждались образцы экспериментальных ТПИ, образцы зеркал и промежуточный слой без зеркальных покрытий. Последний, в силу технологических особенностей вакуумного напыления, является полным аналогом промежуточному слою ТПИ, т.е. его "паспортом", при исследовании структурных и оптических свойств.
Первоначально физическое наращивание многослойной интерференционной системы производят в режимах формирования пленочных покрытий стехиометрического состава исходных рабочих материалов. В дальнейшем технологические параметры физического наращивания ТПИ могут быть дополнительно скорректированы (в соответствии с результатами микроструктурного и спектрального анализа промежуточного слоя) с целью достижения необходимого размера микрокристаллов d. При непрерывном способе осаждения размер микрокристаллов d задается его энергетическими и температурными параметрами (температурой и скоростью испарения, температурой подложки, а при дискретном - еще и толщиной однократно напыляемого микрослоя (О.В.Гончарова, В.Ф.Гременюк, Н.Г.Корень, Г.В.Синицын. Авт. св. N 1658655 (СССР)).
Исходные материалы выбираются так, чтобы матричный материал промежуточного слоя и материал четвертьволновых слоев зеркал практически на влиял на спектральные и нелинейные свойства результирующей интерференционной системы т. е. были более широкозонны, чем высокопреломляющий материал промежуточного слоя.
В качестве мишеней применялись специально нелегированные монокристаллы исходных материалов и специально приготовленные многокомпонентные мишени (ММ) заданного фазового состава.
В последующем предлагаемое изобретение поясняется подробным описанием примера его выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором:
фиг.2 изображает схематично общий вид узкополосного тонкопленочного интерферометра Фабри-Перо, соответствующего данному изобретению.
Предлагаемый ТПИ элемент содержит: подложку (1), промежуточный слой (2), два диэлектрических зеркала из чередующихся четвертьволновых слоев высокопреломляющего (3) и низкопреломляющего (4) материалов.
Заявляемый ТПИ содержит подложку (1) либо из низкопреломляющего материала либо из высокопреломляющего материала (в том числе металла) с диэлектрическим покрытием. Далее идут чередующиеся четвертьволновые слои с высоким (3) и низким (4) коэффициентами преломления, образующие высокоотражающее диэлектрическое зеркало. Низкопреломляющие слои (4) представляют собой плотноупакованные микрокристаллические или аморфные пленки, полученные, в частности испарением низкопреломляющего материала подложки. А высокопреломляющие (3) плотноупакованные микрокристаллические или двухкомпонентные пленки, по необходимости: первые используются, когда высокопреломляющий материал зеркал позволяет получать плотноупакованные, стехиометрические, негигроскопические пленочные покрытия; а вторые в противоположном случае. Для реализации двухкомпонентных высокопреломляющих слоев при этом используется исходный высокопреломляющий материал и низкопреломляющий герметизирующий материал четвертьволновых слоев зеркал. А результирующий четвертьволновый слой формируется в виде микрокристаллов высокопреломляющего материала, расположенных в объеме низкопреломляющего. На диэлектрическое зеркало далее методами физического наращивания наносится промежуточный слой интерферометра (2), задающий его спектральные и нелинейные характеристики как фильтрующего и переключающего устройства. Структура промежуточного слоя состоит из микрокристаллов высокопреломляющего материала размера d, определяемым из соотношения
0,2·aБ< d < λe, нм,
вкрапленных в слой низкопреломляющего (матричного) материала. Высокопреломляющим материалом промежуточного слоя могут служить различные соединения в зависимости от целей практического использования ТПИ. В случае узкополосных фильтров это полупроводниковые и диэлектрические соединения. А в случае логических устройств нелинейные высокопреломляющие материалы (от металлов, диэлектриков и полупроводниковые до органических красителей). В качестве низкопреломляющей матрицы и в данном случае должен использоваться герметизирующий материал и, в частности соединения из ряда: SiO2, Al2O3, CaF2, Aln, Bn, а также полимеры. Поверх промежуточного слоя далее наносится второе симметричное диэлектрическое зеркало с четвертьволновыми слоями (3) и (4).
При малых интенсивностях воздействия предлагаемый узкополосный ТПИ вырезает из линейчатого или сплошного спектра излучение заданной длины волны, соответствующей λm его контура пропускания (фиг.1,a).
С ростом интенсивности I0 падающего излучения (нелинейный режим работы) предлагаемый ТПИ-элемент переключается в состояние максимального пропускания (или затемнения) на длине волны возбуждения за счет коротковолнового просветления и сдвига (0.2·аБ <d ≅ 3аБ) (или затемнения, 3·aБ< d < λe, нм) его контура. Характерное время переключения, определяемое временем релаксации носителей, при указанных значениях размера микрокристаллов d составляет τsw≈ 25...5 пс.
Физический механизм ключевой характеристики предлагаемого переключающего устройства интерпретируется следующим образом. При фотогенерации носителей в микрокристаллах высокопреломляющего материала размером d, определяемым из соотношения:
0.2·аБ <d <3а, нм,
и последующем заполнении уровней размерного квантования вероятность поглощения света в прикраевой области спектра уменьшается, с чем связаны наблюдаемые при этом эффекты просветления и динамического сдвига края поглощения. При фотогенерации носителей в микрокристаллах высокопреломляющего материала размером d, определяемым из соотношения
3·aБ< d < λe, нм,
и последующем заполнении уровней локализации ниже края поглощения наблюдается наведенное поглощение света в этой области спектра, с чем связан наблюдаемый при этом эффект пикосекундного затемнения контура пропускания ТПИ.
Экспериментальная проверка возможности реализации предлагаемых узкополосных интерференционных фильтров и нелинейных ТПИ-элементов была выполнена на примере устройств, сформированных согласно изобретению, на подложках из низкопреломляющего материала, соответствующего материалу низкопреломляющей компоненты нелинейного слоя. В качестве переключаемого сигнала использовалось возбуждение (t 3 пс) лазера на стекле с неодимом.
На фиг. 3-4 приведены соответственно микроструктурные, и спектральные характеристики узкополосных ТПИ-фильтров, в которых промежуточный слой согласно изобретению формируют методом физического наращивания микрослоев ZnSe/SiO2 (на неориентирующей подложке SiO2 (фиг.3) и ZnSe+SiO2(на SiO2-подложке) (фиг.4) с размером микрокристаллов высокопреломляющего ZnSe- материала d, определяемым из соотношения.
0,2·aБ< d < λe, нм,
где aБ, λe- боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона исходного высокопреломляющего материала.
Выбор высокопреломляющего материала в данном случае обусловлен тем фактом, что микрокристаллы ZnSe в объеме матрицы ранее никем не были реализованы, а ТПИ на основе микрокристаллических пленок ZnSe наиболее часто используются как тепловые переключающие устройства. Селенид цинка позволяет получать мягкие гигроскопичные пленочные покрытия, в силу чего, как отмечалось выше, ТПИ с промежуточным слоем ZnSe характеризуются временной нестабильностью
На фиг. 3,а,б и 4,а,б (для сравнения) показаны микрофотографии структуры промежуточного слоя узкополосных интерференционных фильтров, изготовленных согласно изобретению, с использованием в качестве высокопреломляющего материала селенида цинка (ZnSe), а в качестве низкопреломляющего кварца (SiO2) (фиг. 3,а и 4,а, соответственно) и микрофотографии структуры промежуточного слоя известных ТПИ, изготовленных теми же методами физического выращивания (вакуумным напылением), но с использованием одного материала (ZnSe) и без контроля d (фиг.3,б и 4,б).
Видно, что физическое наращивание промежуточного слоя в виде слоя материала с низким показателем преломления nН и вкрапленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления nв и имеющих размер d, определяемый из соотношения
0,2·aБ< d < λe, нм,
где aБ,
λe боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона исходного высокопреломляющего материала, повышает прозрачность ТПИ на заданной длине волны и существенно расширяет область его оптической нелинейности.
Действительно, фиг.3,а и кривая 1 на фиг.3,в соответствуют композиционной пленке ZnSe + SiO2 (отметим, что приведенный на фиг.3 существенный коротковолновый сдвиг спектра пропускания промежуточного слоя для микрокристаллов ZnSe зарегистрирован впервые и хорошо согласуется с микроструктурой композиционной пленки, представляющей собой микрокристаллы ZnSe с d ≈ 3 нм (для ZnSe aБ ≈ 1,5 нм), вкрапленные в SiO2 матрицу. А кривая 3 на фиг.3 спектрам пропускания ТПИ с таким промежуточным слоем ( Tm 76% δλ = 4 нм). Видно, что в данном случае могут быть получены узкополосные фильтры с высоким пропусканием (до 80%) даже в области сильного поглощения исходных монокристаллов ZnSe.
Аналогично, фиг. 4, а и кривая 1 на фиг.4,в соответствуют пленочной гетеросистеме ZnSe/SiO2 (отметим, что уменьшение величины коротковолнового сдвига коррелирует с размером микрокристаллов d ≈ 4.5 нм, т.е. d ≈ 3аБ). А спектр 3 на фиг.4,в спектрам пропускания ТПИ (Tm 30% δλ = 6 нм). Не столь высокое пропускание предлагаемых ТПИ в данном случае очевидно связано с меньшим сдвигом края пропускания соответствующего промежуточного слоя.
Фиг. 3, б, 4, б и кривые 2 на фиг.3,в, 4,в соответствуют поликристаллическим пленкам ZnSe, полученным при тех же условиях напыления. А кривые 4 на фиг. 3, в, 4,в спектру пропускания лучшего из известных ТПИ, изготовленного обычным методом на основе ZnSe (Tm=20% δλ = 3,8 нм).
Приведенные на фиг.3 и 4 результаты указывают на возможность расширения спектральных областей прозрачности и фоточувствительности ТПИ, как фильтрующих устройств, за счет эффектов размерного квантования микрокристаллов промежуточного слоя. Отметим, что аналогичные результаты были получены и для интерференционных систем на основе других материалов, а именно CdS и CdSe, которые практически не используются для изготовления ТПИ видимого диапазона, т. к. имеют край поглощения, в лучшем случае, в области 550 и 700 нм соответственно. Нами были изготовлены ТПИ на основе таких материалов с максимальным пропусканием на длине волны λm≈ 530 и 650 нм.
В плане стабильности к тепловому воздействию и воздействию влаги исследованы узкополосные MgO/SiO2- и ZnSe/SiO2-TПИ, выполненные согласно данному изобретению. При этом первый из них, изготовленный с целью фильтрации оптического излучения, использовал в качестве высокопреломляющих слоев зеркал и промежуточного слоя композиционные пленки, состоящие из микрокристаллов MgO (d= 12 нм) в аморфной SiO2 матрице, а в качестве материала низкопреломляющих слоев аморфный кварц. А второй, изготовленный с целью исследования нелинейных эффектов на длине волны гармоники лазера на фосфатном стекле с неодимом (λвозб= 528 нм), в качестве слоев зеркал использовали плотноупакованные мелкокристаллические пленки ZnS и криолита, а в качестве промежуточного слоя микрокристаллы ZnSe заданного размера зерна d≅3aБ, а именно, d ≈ 3 нм, в низкопреломляющей матрице. В качестве подложек в обоих случаях использовались плоско-параллельные диски размером 20 и 2 мм из кварцевого стекла марок КУ или КИ. Фильтры содержали от 9 до 15 слоев, при этом полуширина пиков δλ составляла 18 и 3 нм при пропускании Tmax соответственно 65 и 40%
Оптические характеристики ZnSe/SiO2-фильтров при сохранении их без защиты от влаги остались неизменными после пребывания на воздухе в течение более трех лет. А ТПИ на основе оксидных систем показал наличие спектрального сдвига пика пропускания на величину меньше 2 нм. Обычная оксидная система ZrO2/SiO2, изготовленная ЭЛИ напылением в вакууме, имела при этом сдвиг порядка 35 нм.
Причины такой разницы видятся в различии структур. Структура обычных ЭЛИ систем пористая. Для ZrO2. Плотность упаковки в лучшем случае может составлять 0.7, а испарение вне атмосферы кислорода не гарантирует получения стехиометричных покрытий. Структура систем, изготавливаемых согласно изобретению, более плотная, ибо микрокристаллы рабочей среды размещены в тонкопленочной матрице соединений, обладающих плотностью упаковки порядка 0.99-1. Так что изменения спектральных характеристик ТПИ в данном случае могут происходить лишь при нестехиометричности самих микрокристаллов, а именно при процессах недоокисления. Этим, в частности, и объясняется лучшая стабильность ZnSe/SiO2-ТПИ по отношению к MgO/SiO2-ТПИ, изготовленных одинаковым методом физического наращивания. Анализ микроструктуры, проведенный методом электронной микроскопии с разрешением до 1 нм, подтверждает это вывод, позволяя считать структуру промежуточного слоя каждого из исследованных ТПИ плотно упакованной двухкомпонентной системой, состоящей из стеклообразной или аморфной матрицы и микрокристаллов. Наличие микропор не зарегистрировано.
Исследование стойкости предлагаемого устройства к интенсивному лазерному воздействию, проведенное с использованием ZnSe/SiO2-ТПИ и трехпикосекундного импульсного возбуждения с частотой следования 0.5 Гц при возбуждении в полосе пропускания фильтра, т.е. в области прозрачности ZnSe (lвозб= 528 нм, λg 470 нм), а также при возбуждении в области сильного поглощения ZnSe (λвозб= 352 нм), не выявили необратимых изменений спектра пропускания ТПИ вплоть до пиковых мощностей возбуждения 0.6 0.8 ГВт/см2.
Исследования предлагаемого устройства как логического элемента были проведены с использованием ZnSe/SiO2- и CdS+SiO2-ТПИ. (Микроструктурные и спектральные характеристики последнего приведены на фиг.5).
Характеристики ZnSe/SiO2-переключателя приведены на фиг.4, г. Хорошо регистрируется эффект затемнения, коррелирующий с размером микрокристаллов d≥3aБ. Времена релаксации τ = 10 ...25 пс.
Анализ электронно-микроскопических данных промежуточного слоя CdS+SiO2-элемента (фиг. 5, а) показывает, что это двухкомпонентная пленка, состоящая из совокупности кубических микрокристаллов CdS и аморфной SiO2 матрицы (при этом микрокристаллы CdS имеют заданный размер d ≈ 3aБ), С прогнозируемыми оптическими свойствами. Действительно, из фиг.5,б, описывающего спектральные характеристики ТПИ (кривая 3) и его промежуточного слоя (кривая 2), видно, что и в данном случае в спектрах пропускания наблюдается коротковолновый сдвиг края поглощения, величина которого согласуется с размером микрокристаллов d= 15 нм. Кривая 1 на фиг.5,б соответствует спектру пропускания плотноупакованной поликристаллической пленки CdS, показатель преломления которой соответствует монокристаллу, вследствие чего она и использовалась как эталонный образец, позволяющий оценить величину и характер изменения края поглощения композиционного промежуточного слоя равной оптической толщины высокопреломляющего материала CdS.
Анализ спектральных и структурных характеристик промежуточного слоя позволяет установить наличие размерного квантования нелинейной среды CdS+SiO-ТПИ, обуславливающее возможность получения пикосекундных времен переключения предлагаемого устройства в состояние с большим пропусканием (за счет коротковолнового просветления и сдвига контура пропускания).
На фиг. 5,в,г приведены результаты исследования амплитудных и кинетических характеристик оптического переключения ТПИ в состояние большего пропускания на длине волны второй гармоники неодимого лазера (λвозб= 528 нм). Из фиг. 5, в видно, что величина наведенного сдвига спектра пропускания составляет ΔTmax≈ 3 нм, что гарантирует не только достаточный контраст переключения предлагаемого устройства, но и возможность реализации дисперсионной оптической бистабильности при условии, что полуширина контура пропускания предлагаемого ТПИ будет составлять δλ ≈ 6 нм.
Время переключения предлагаемого ТПИ составило 300 фсек, а время релаксации τ ≈ 25 пс.. Причем, как показали параллельные исследования нелинейно-оптических свойств промежуточного слоя ТПИ, время релаксации системы носителей с уровней размерного квантования не превышает 5 пс, а вторая 25-пикосекундная составляющая кривой релаксации отвечает за межзонную рекомбинацию носителей.
Отметим также, что эффект сдвига и просветления контура пропускания критичны к интенсивности, а именно: приведенный на фиг.5,в результат соответствует верхней пороговой мощности Eвозб≈0.17 мкДж, выше которой коротковолновый динамический сдвиг контура пропускания заметно уменьшается, а эффект просветления сменяется эффектом затемнения (фиг.5,г). Таким образом, предлагаемый ТПИ-переключатель может быть выключен не только сбросом, но и повышением интенсивности возбуждения.
Переключающее устройство на основе узкополосных интерференционных ТПИ-элементов, заявляемых в данном изобретении, является и быстродействующим и низкоэнергетичным. При толщине l ≈ 1 мкм и диаметре рабочей области ≈ 10 мкм, время включения ≅300 фсек, время выключения от 25 до 5 пс, энергия на одно переключение E≈2.7 пДж, работа при комнатной температуре.
Предлагаемое устройство предназначено для фильтрации оптических сигналов и их логической обрабоки в УФ-, видимом в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Область применения-экспериментальная оптика, в том числе аналоговая и цифровая оптическая логика. Высокая однородность оптических параметров по поверхности подложки позволяет получать ТПИ как в виде дискретных элементов, так и в виде многоэлементных линеек и матриц. Устройство может различаться по функциональному назначению и быстродействию.
Предлагаемое устройство работает как
узкополосный фильтр с расширенным спектральным диапазоном рабочих длин волн и увеличенным максимальным пропусканием в интерференционном пике (фиг. 3,в, кривая 3).
нелинейный переключающий элемент с пикосекундными временами переключения (фиг.5,в, г).
Предлагаемый узкополосный тонкопленочный интерферометр Фабри-Перо обладает рядом свойств, уникальных с точки зрения создания на его основе элементной базы оптической цифровой вычислительной техники:
относительной простотой и доступностью технологии изготовления;
выбором материалов от металлов, полупроводников и диэлектриков до органических красителей и полимерных соединений;
интегральностью и интегрируемостью исполнения;
возможностью оптимизации механизма нелинейности и паспортизации свойств ТПИ за счет параллельного изготовления промежуточного слоя без зеркальных покрытий и исследования оптических свойств последнего по отношению к монокристаллическим эталонам;
широким диапазоном рабочих длин волн;
работой при комнатных температурах;
использованием пикосекундных механизмов нелинейности в совокупности с эффектами обратной связи и усиления внутреннего поля, характерными для ТПИ;
низкими порогами оптического переключения;
возможностью исключения теплового вклада подложки в работу таких устройств;
высокой лучевой стойкостью и стабильностью структуры.
Ниже приведены эксплуатационные параметры заявляемого тонкопленочного интерферометра Фабри-Перо, изготовленного согласно изобретению методами физического наращивания промежуточного слоя в виде микрокристаллов CdS (d ≈ 15нм) в тонкопленочной SiO2 матрице.
Рабочий спектральный диапазон Зелено-красная область спектра
Рабочие температуры Комнатные
Апертура входного пучка 6o
Диаметр светового пятна ≈5 мкм
Энергия переключения Е ≥0.2 пДж/мкм2
Время переключения (вкл/выкл) τsw ≈0.3/25 nc
Контраст 2.5
Размер двумерных матриц элементов 3х3см2
Возможность использования твердых соединений с высокими коэффициентами теплопроводности в качестве материала подложки и матрицы создает дополнительные преимущества для повышения механической прочности, влагопрочности ТПИ, устойчивости их к термоударам и многократному лазерному воздействию, а также для уменьшения тепловой составляющей при высокой тактовой частоте работы устройства.
Формула изобретения: 1. Узкополосный тонкопленочный интерферометр Фабри-Перо, содержащий подложку, два тонкопленочных зеркала, выполненных из чередующихся слоев двух материалов с высоким и низким показателями преломления, имеющих оптическую толщину, равную четверти длины волны максимального пропускания интерферометра, и расположенный между зеркалами промежуточный слой, имеющий оптическую толщину, кратную половине длины волны максимального пропускания интерферометра, отличающийся тем, что промежуточный слой выполнен из материала с низким показателем преломления, в котором расположены микрокристаллы, сформированные из материала с высоким показателем преломления и имеющие размер d, определяемый из соотношения
0,2aБ<d<λ>l, нм,
где aБl боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона высокопреломляющего материала.
2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена из диэлектрического материала с низким показателем преломления или металла с покрытием из диэлектрического материала, при этом в качестве диэлектрического материала используется один из следующего ряда: SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, AlN, BN, полимеры.
3. Интерферометр по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала с низким показателем преломления промежуточного слоя и диэлектрических зеркал используется материал из следующего ряда: SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, AlN, BN, полимеры.
4. Интерферометр по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что в качестве материала с высоким показателем преломления промежуточного слоя используется или полупроводник, или диэлектрик, или металл.
5. Интерферометр по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что в качестве материала с высоким показателем преломления диэлектрических зеркал используется материал из следующего ряда: ZrO2, ZnS, MgO, ZnSe.