Решетка с высокой контрастностью - High contrast grating - Wikipedia

В физика, а высококонтрастная решетка представляет собой однослойный около-длина волны решетка физическая структура, в которой материал решетки имеет большой контраст в показатель преломления со своим окружением. Термин ближняя длина волны относится к решетке период, который имеет значение между одной длиной оптической волны в материале решетки и в окружающих ее материалах.

У высококонтрастных решеток есть много отличительных черт, которых нет у обычных решеток. Эти функции включают широкополосный сверхвысокий отражательная способность, широкополосный сверхвысокий коробка передач, и очень высокий фактор качества резонанс, для оптического луча, падающего перпендикулярно поверхности или под углом к ​​поверхности решетки. Решетка с высоким коэффициентом отражения может быть ультратонкой, всего <0,15 оптической длины волны. Фаза отражения и пропускания оптического луча через высококонтрастную решетку может быть спроектирована так, чтобы покрывать полный диапазон 2π при сохранении высокого коэффициента отражения или пропускания.

Схема высококонтрастной решетки. Λ - период решетки; kо- волновой вектор падающего света; пбар, показатель преломления решетки; по, показатель преломления окружающей среды стержня решетки.

История

Идея высококонтрастной решетки стала популярной в 2004 году в отчете о широкополосном отражателе с высокой отражательной способностью для нормального к поверхности падающего света (соотношение между шириной полосы частот с коэффициентом отражения более 0,99 и центральной длиной волны более 30%). Констанс Дж. Чанг-Хаснайн и другие.,[1][2] что было продемонстрировано экспериментально в том же году.[3] Ключевая идея состоит в том, чтобы весь материал с высоким показателем преломления был окружен материалом с низким показателем преломления. Впоследствии они применяются в качестве зеркал с высокой отражающей способностью в Лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором,[4] а также монолитные лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором и непрерывной перестройкой длины волны.[5] С тех пор свойства высококонтрастной решетки быстро исследуются. Ниже перечислены некоторые соответствующие примеры:

В 2008 году одиночный слой высококонтрастной решетки был продемонстрирован как резонатор с высокой добротностью.[6]В 2009 году пустотелый волноводы были предложены высококонтрастные решетки,[7] с последующей экспериментальной демонстрацией в 2012 году.[8] Этот эксперимент является первой демонстрацией высококонтрастной решетки, отражающей оптический луч, распространяющегося в направлении, параллельном решеткам, что является основным отличием от фотонный кристалл или же распределенный брэгговский отражатель.

В 2010 году планарный, однослойный линзы были предложены и продемонстрированы фокусирующие отражатели с высокой фокусирующей способностью с использованием высококонтрастной решетки с пространственно изменяющимися размерами решетки.[9][10]В некоторых источниках высококонтрастные решетки упоминаются как пластины из фотонных кристаллов или фотонно-кристаллические мембраны.[11][12]

Принцип действия

Для решеток существуют полностью строгие электромагнитные решения, которые, как правило, связаны с тяжелым математическим формулизмом. Был разработан простой аналитический формулизм для объяснения различных свойств высококонтрастной решетки.[13][14][15] Вычислительная программа, основанная на этом аналитическом решении, также была разработана для определения электромагнитных свойств высококонтрастной решетки, названная High Contrast Grating Solver.[16] Ниже приводится краткий обзор принципа работы высококонтрастной решетки.

Стержни решетки можно рассматривать как просто периодический массив волноводов с волной, направляемой вдоль направления толщины решетки. При падении плоской волны, в зависимости от длины волны и размеров решетки, возбуждаются только несколько мод волноводной решетки. Из-за большого контрастного показателя и размеров, близких к длине волны, существует широкий диапазон длин волн, в котором только две моды волноводной решетки имеют реальные постоянные распространения в направлении z и, следовательно, несут энергию. Затем две моды волноводной решетки отходят от входной плоскости решетки и распространяются вниз к выходной плоскости решетки, а затем отражаются обратно вверх. После прохождения через толщину решетки каждая распространяющаяся мода накапливает другую фазу. В выходящей плоскости из-за сильного рассогласования с выходящей плоской волной волноводные моды не только отражаются назад друг к другу, но и соединяются друг с другом. Когда моды распространяются и возвращаются во входную плоскость, происходит аналогичная связь мод. Следуя режимам через один проход туда и обратно, можно достичь решения по отражательной способности. Эти две моды интерферируют на входной и выходной плоскости высококонтрастной решетки, что приводит к различным отличительным свойствам.

Приложения

Решетки с высоким контрастом используются во многих оптоэлектронных устройствах. Он используется в качестве зеркал для лазеров с вертикальным резонатором, излучающих поверхность.[4][5][12][17] Легкий вес высококонтрастной решетки обеспечивает быстрое срабатывание микроэлектромеханической структуры для настройки длины волны.[5] Фаза отражения высококонтрастной решетки разработана для управления длиной волны излучения лазеров с вертикальным резонатором, излучающих поверхность.[17] Путем локального изменения каждого размера решетки при сохранении ее толщины были получены плоские однослойные линзы и фокусирующие отражатели с высокой фокусирующей способностью.[9][10] Помимо высокой отражательной способности, высококонтрастная решетка была разработана как резонатор с высокой добротностью.[6][18] Полый волновод с низкими потерями выполнен с высококонтрастными решетками с высокой отражательной способностью при наклонном угле падения.[7][8] Такие приложения, как медленный свет [19] и оптический переключатель [20] может быть построен на волноводе с полой сердцевиной за счет использования особой фазовой характеристики и резонансных свойств высококонтрастной решетки. Высококонтрастная решетка может эффективно управлять распространением света, направляя свет из нормального к поверхности волновода с индексированным волноводом и наоборот.[21]

Рекомендации

  1. ^ Mateus, C.F.R .; Хуанг, M.C.Y .; Deng, Y .; Neureuther, A.R .; Чанг-Хаснайн, Си-Джей (2004). "Сверхширокополосное зеркало с использованием субволновой решетки с оболочкой с низким показателем преломления". Письма IEEE Photonics Technology. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 16 (2): 518–520. Дои:10.1109 / lpt.2003.821258. ISSN  1041-1135. S2CID  3743244.
  2. ^ К. Дж. Чанг-Хаснайн, К. Ф. Р. Матеус и М. К. Ю. Хуанг, «Сверхширокополосное зеркало с использованием субволновой решетки», Патент США 7 304781 (4 декабря 2007 г.).
  3. ^ Mateus, C.F.R .; Хуанг, M.C.Y .; Chen, L .; Chang-Hasnain, C.J .; Судзуки Ю. (2004). «Широкополосное зеркало (1,12–1,62 мкм) с субволновой решеткой». Письма IEEE Photonics Technology. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 16 (7): 1676–1678. Дои:10.1109 / lpt.2004.828514. ISSN  1041-1135. S2CID  3759679.
  4. ^ а б Хуанг, Майкл С.Й .; Zhou, Y .; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (2007). «Лазер с поверхностным излучением, включающий субволновую решетку с высоким показателем контраста». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 1 (2): 119–122. Дои:10.1038 / nphoton.2006.80. ISSN  1749-4885.
  5. ^ а б c Хуанг, Майкл С. Ю.; Чжоу, Е; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (24 февраля 2008 г.). «Наноэлектромеханический перестраиваемый лазер». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (3): 180–184. Дои:10.1038 / nphoton.2008.3. ISSN  1749-4885.
  6. ^ а б Чжоу, Е; Моэ, Майкл; Керн, Йоханнес; Хуанг, Майкл С .; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (13 октября 2008 г.). «Нормальное к поверхности излучение резонатора с высокой добротностью с использованием субволновой высококонтрастной решетки». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 16 (22): 17282–7. Дои:10.1364 / oe.16.017282. ISSN  1094-4087. PMID  18958010.
  7. ^ а б Чжоу, Е; Карагодский, Вадим; Песала, Бала; Sedgwick, Forrest G .; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (26 января 2009 г.). «Новый волновод с полой сердцевиной и сверхнизкими потерями, использующий субволновые высококонтрастные решетки». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 17 (3): 1508–1517. Дои:10.1364 / oe.17.001508. ISSN  1094-4087. PMID  19188980.
  8. ^ а б Ян, Вэйцзянь; Феррара, Джеймс; Грутер, Карен; Ага, Энтони; Чейз, Крис; Юэ, Ян; Виллнер, Алан Э .; Wu, Ming C .; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (01.01.2012). «Полый волновод с низкими потерями на кремниевой подложке». Нанофотоника. Walter de Gruyter GmbH. 1 (1): 23–29. Дои:10.1515 / наноф-2012-0003. ISSN  2192-8614. S2CID  15886942.
  9. ^ а б Лу, Фанглу; Sedgwick, Forrest G .; Карагодский, Вадим; Чейз, Кристофер; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (27 мая 2010 г.). «Планарные фокусирующие отражатели и линзы с высокой числовой апертурой и малыми потерями, использующие субволновые высококонтрастные решетки». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 18 (12): 12606–14. Дои:10.1364 / oe.18.012606. ISSN  1094-4087. PMID  20588387.
  10. ^ а б Фаттал, Дэвид; Ли, Цзинцзин; Пэн, Чжэнь; Фиорентино, Марко; Босолей, Раймонд Г. (02.05.2010). «Плоские диэлектрические решетчатые отражатели с фокусирующими способностями». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 4 (7): 466–470. arXiv:1001.3711. Дои:10.1038 / nphoton.2010.116. ISSN  1749-4885. S2CID  118369687.
  11. ^ Letartre, X .; Mouette, J .; Leclercq, J.L .; Romeo, P.R .; Seassal, C .; Викторович, П. (2003). «Коммутационные устройства с пространственным и спектральным разрешением, сочетающие структуры фотонного кристалла и МОЭМС». Журнал технологии световых волн. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 21 (7): 1691–1699. Дои:10.1109 / jlt.2003.814388. ISSN  0733-8724.
  12. ^ а б Sciancalepore, Corrado; Бакир, Бадхисе Бен; Летартр, Ксавье; Хардуин, Джули; Оливье, Николя; и другие. (2012). «КМОП-совместимые сверхкомпактные излучающие лазеры VCSEL размером 1,55 мкм с использованием двойных фотонно-кристаллических зеркал». Письма IEEE Photonics Technology. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 24 (6): 455–457. Дои:10.1109 / lpt.2011.2180711. ISSN  1041-1135. S2CID  26225783.
  13. ^ Lalanne, P .; Hugonin, J.P .; Чавел, П. (2006). «Оптические свойства глубоких пластинчатых решеток: совместное понимание блоховского режима». Журнал технологии световых волн. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 24 (6): 2442–2449. Дои:10.1109 / jlt.2006.874555. ISSN  0733-8724. S2CID  39696410.
  14. ^ Карагодский, Вадим; Sedgwick, Forrest G .; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (26 июля 2010 г.). «Теоретический анализ субволновых высококонтрастных решетчатых отражателей». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 18 (16): 16973–88. Дои:10.1364 / oe.18.016973. ISSN  1094-4087. PMID  20721086.
  15. ^ Чанг-Хаснайн, Конни Дж .; Ян, Вэйцзянь (04.09.2012). «Высококонтрастные решетки для интегральной оптоэлектроники». Достижения в оптике и фотонике. Оптическое общество. 4 (3): 379–440. Дои:10.1364 / aop.4.000379. ISSN  1943-8206.
  16. ^ "Решатель высококонтрастных решеток"
  17. ^ а б Карагодский, Вадим; Песала, Бала; Чейз, Кристофер; Хофманн, Вернер; Кояма, Фумио; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (05.01.2010). «Монолитно интегрированные многоволновые решетки VCSEL с использованием высококонтрастных решеток». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 18 (2): 694–9. Дои:10.1364 / oe.18.000694. ISSN  1094-4087. PMID  20173889.
  18. ^ Ву, Цзэн-Цонг; У, Шу-Сянь; Лу, Тянь-Чанг; Ван, Шинг-Чунг (25 февраля 2013 г.). «Высококонтрастные решетчатые лазеры поверхностного излучения на основе GaN». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 102 (8): 081111. Дои:10.1063/1.4794081. ISSN  0003-6951.
  19. ^ Солнце, Тианбо; Ян, Вэйцзянь; Карагодский, Вадим; Чжоу, Вэйминь; Чанг-Хаснайн, Конни (09.02.2012). Чанг-Хаснайн, Конни Дж .; Кояма, Фумио; Виллнер, Алан Э .; Чжоу, Вэйминь (ред.). Медленный свет с низкими потерями внутри высококонтрастного решетчатого волновода. 8270. ШПИОН. п. 82700A. Дои:10.1117/12.909962.
  20. ^ В. Ян и К. Дж. Чанг-Хаснаин, «Сверхкомпактный оптический переключатель, использующий высококонтрастный решетчатый волновод с полой сердцевиной», Конференция по лазерам и электрооптике, Технический сборник OSA (CD) (Оптическое общество Америки, 2013).
  21. ^ Чжу, Ли; Карагодский, Вадим; Чанг-Хаснайн, Конни (09.02.2012). Чанг-Хаснайн, Конни Дж .; Кояма, Фумио; Виллнер, Алан Э .; Чжоу, Вэйминь (ред.). Новый высокоэффективный оптический ответвитель вертикально-плоскостной. 8270. ШПИОН. п. 82700Л. Дои:10.1117/12.909414.