Высококонтрастная решетка

В физике представляет высококонтрастная решетка собой однослойную физическую структуру ближневолновой решетки , в которой материал решетки имеет большой контраст по показателю преломления с окружающей средой. Термин «близкая длина волны» относится к периоду решетки , который имеет значение между одной оптической длиной волны в материале решетки и в окружающих ее материалах.

Высококонтрастные решетки обладают множеством отличительных свойств, которых нет у обычных решеток. Эти характеристики включают широкополосную сверхвысокую отражательную способность , широкополосную сверхвысокую передачу и очень высокий добротности резонанс для оптического луча, перпендикулярного поверхности или под углом к поверхности решетки. Решетка с высокой отражательной способностью может быть ультратонкой, всего <0,15 оптической длины волны. Фаза отражения и прохождения оптического луча через высококонтрастную решетку может быть спроектирована так, чтобы охватывать весь диапазон 2π, сохраняя при этом высокий коэффициент отражения или пропускания.

Схема высококонтрастной решетки. Λ — период решетки; k _o , волновой вектор падающего света; n _bar , показатель преломления стержня решетки; n _o , показатель преломления окружающей среды стержня решетки.

История

опубликовала отчет о широкополосном отражателе с высокой отражательной способностью для падающего света, падающего нормально к поверхности (соотношение между шириной полосы длины волны с коэффициентом отражения более 0,99 и центральной длиной волны более 30%). Идея высококонтрастной решетки возникла в 2004 году, когда Констанция Дж. Чанг-Хаснайн и др., ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} что было продемонстрировано экспериментально в том же году. ^{[ 3 ]} Основная идея состоит в том, чтобы материал с высоким показателем преломления был окружен материалом с низким показателем преломления. Впоследствии они применяются в качестве зеркала с высокой отражающей способностью в лазерах поверхностного излучения с вертикальным резонатором . ^{[ 4 ]} а также монолитные лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором и непрерывно перестраиваемой длиной волны. ^{[ 5 ]} С тех пор свойства высококонтрастных решеток быстро исследуются. Ниже перечислены некоторые соответствующие примеры:

В 2008 году однослойная высококонтрастная решетка была продемонстрирована как резонатор с высокой добротностью. ^{[ 6 ]} В 2009 году были предложены полые волноводы с использованием высококонтрастной решетки. ^{[ 7 ]} с последующей экспериментальной демонстрацией в 2012 году. ^{[ 8 ]} Этот эксперимент является первой демонстрацией высококонтрастной решетки, отражающей оптический луч, распространяющийся в направлении, параллельном решеткам, что является основным отличием от фотонного кристалла или распределенного брэгговского отражателя .

В 2010 году были предложены и продемонстрированы плоские однослойные линзы и фокусирующие рефлекторы с высокой фокусирующей способностью с использованием высококонтрастной решетки с пространственно изменяющимися размерами решетки. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} В некоторых источниках высококонтрастные решетки называются фотонно-кристаллическими пластинами или фотонно-кристаллическими мембранами. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Принцип работы

Для решеток существуют полностью строгие электромагнитные решения, которые, как правило, связаны с тяжелыми математическими формулами. Разработан простой аналитический формулизм, объясняющий различные свойства высококонтрастных решеток. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]} На основе этого аналитического решения также была разработана вычислительная программа для определения электромагнитных свойств высококонтрастной решетки, получившая название High Contrast Grating Solver. ^{[ 16 ]} Ниже представлен краткий обзор принципа работы высококонтрастной решетки.

Стержни решетки можно рассматривать как просто периодическую решетку волноводов, в которой волна направляется вдоль направления толщины решетки. При падении плоской волны в зависимости от длины волны и размеров решетки возбуждаются лишь несколько мод волноводной решетки. Благодаря большому индексному контрасту и околодлинным размерам существует широкий диапазон длин волн, в котором только две моды волноводной решетки имеют реальные константы распространения в направлении z и, следовательно, несут энергию. Затем две моды волноводной решетки выходят из входной плоскости решетки и распространяются вниз к выходной плоскости решетки, а затем отражаются обратно вверх. После распространения по толщине решетки каждая распространяющаяся мода накапливает свою фазу. На выходе из плоскости из-за сильного рассогласования с выходящей плоской волной волноводные моды не только отражаются сами в себя, но и соединяются друг с другом. Когда моды распространяются и возвращаются во входную плоскость, происходит аналогичная связь мод. Следуя модам за один проход туда и обратно, можно достичь решения по отражательной способности. Две моды интерферируют на входной и выходной плоскостях высококонтрастной решетки, что приводит к различным различным свойствам.

Приложения

Высококонтрастные решетки используются во многих оптоэлектронных устройствах. Он был использован в качестве зеркала для лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 12 ]}^{[ 17 ]} Легкий вес высококонтрастной решетки обеспечивает быстрое срабатывание микроэлектромеханической структуры для настройки длины волны. ^{[ 5 ]} Фаза отражения высококонтрастной решетки спроектирована для управления длиной волны излучения лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором. ^{[ 17 ]} Путем локального изменения размеров каждой решетки при сохранении ее толщины были получены плоские однослойные линзы и фокусирующие отражатели с высокой фокусирующей силой. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Помимо высокой отражательной способности, высококонтрастная решетка спроектирована как резонатор с высокой добротностью. ^{[ 6 ]}^{[ 18 ]} Волновод с полым сердечником 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 полым сердечником, используя специальную фазовую характеристику и резонансные свойства высококонтрастной решетки. Высококонтрастная решетка может эффективно управлять распространением света, направляя свет от нормального к поверхности волновода с индексным направлением в плоскости и наоборот. ^{[ 21 ]}

Ссылки

^ Матеус, CFR; Хуанг, MCY; Дэн, Ю.; Нойройтер, Арканзас; Чанг-Хаснайн, CJ (2004). «Сверхширокополосное зеркало с использованием субволновой решетки с низким коэффициентом преломления». Письма IEEE Photonics Technology . 16 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 518–520. дои : 10.1109/lpt.2003.821258 . ISSN 1041-1135 . S2CID 3743244 .
^ CJ Chang-Hasnain, CFR Mateus и MCY Huang, «Сверхширокополосное зеркало с использованием субволновой решетки», патент США 7,304,781 (4 декабря 2007 г.).
^ Матеус, CFR; Хуанг, MCY; Чен, Л.; Чанг-Хаснайн, CJ; Сузуки, Ю. (2004). «Широкополосное зеркало (1,12–1,62 мкм) с использованием субволновой решетки». Письма IEEE Photonics Technology . 16 (7). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1676–1678. дои : 10.1109/lpt.2004.828514 . ISSN 1041-1135 . S2CID 3759679 .
^ Jump up to: ^а ^б Хуанг, Майкл Сай; Чжоу, Ю.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (2007). «Лазер поверхностного излучения, включающий субволновую решетку с высоким коэффициентом контрастности». Природная фотоника . 1 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 119–122. дои : 10.1038/nphoton.2006.80 . ISSN 1749-4885 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хуанг, Майкл Сай; Чжоу, Е; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (24 февраля 2008 г.). «Наноэлектромеханический перестраиваемый лазер». Природная фотоника . 2 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 180–184. дои : 10.1038/nphoton.2008.3 . ISSN 1749-4885 .
^ Jump up to: ^а ^б Чжоу, Е; Мове, Майкл; Керн, Йоханнес; Хуанг, Майкл С.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (13 октября 2008 г.). «Поверхностно-нормальное излучение высокодобротного резонатора с использованием субволновой высококонтрастной решетки» . Оптика Экспресс . 16 (22). Оптическое общество: 17282–7. дои : 10.1364/oe.16.017282 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 18958010 .
^ Jump up to: ^а ^б Чжоу, Е; Карагодский, Вадим; Песала, Бала; Седжвик, Форрест Г.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (26 января 2009 г.). «Новый волновод с полым сердечником со сверхмалыми потерями и использованием субволновых высококонтрастных решеток» . Оптика Экспресс . 17 (3). Оптическое общество: 1508–1517. дои : 10.1364/oe.17.001508 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19188980 .
^ Jump up to: ^а ^б Ян, Вэйцзянь; Феррара, Джеймс; Груттер, Карен; Да, Энтони; Чейз, Крис; Юэ, Ян; Уиллнер, Алан Э.; Ву, Мин К.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (1 января 2012 г.). «Полый волновод с малыми потерями на кремниевой подложке» . Нанофотоника . 1 (1). Вальтер де Грюйтер ГмбХ: 23–29. дои : 10.1515/nanoph-2012-0003 . ISSN 2192-8614 . S2CID 15886942 .
^ Jump up to: ^а ^б Лу, Фанглу; Седжвик, Форрест Г.; Карагодский, Вадим; Чейз, Кристофер; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (27 мая 2010 г.). «Плоские фокусирующие отражатели и линзы с высокой числовой апертурой и малыми потерями, использующие субволновые высококонтрастные решетки» . Оптика Экспресс . 18 (12). Оптическое общество: 12606–14. дои : 10.1364/oe.18.012606 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20588387 .
^ Jump up to: ^а ^б Фаттал, Дэвид; Ли, Цзинцзин; Пэн, Чжэнь; Фиорентино, Марко; Босолей, Раймонд Г. (02 мая 2010 г.). «Отражатели с плоской диэлектрической решеткой и фокусирующей способностью». Природная фотоника . 4 (7). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 466–470. arXiv : 1001.3711 . дои : 10.1038/nphoton.2010.116 . ISSN 1749-4885 . S2CID 118369687 .
^ Летартр, X.; Муэтт, Дж.; Леклерк, JL; Ромео, PR; Сеасаль, К.; Викторович, П. (2003). «Коммутационные устройства с пространственным и спектральным разрешением, сочетающие фотонно-кристаллические и МОЭМС-структуры». Журнал световых технологий . 21 (7). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1691–1699. дои : 10.1109/jlt.2003.814388 . ISSN 0733-8724 .
^ Jump up to: ^а ^б Сцианкалепор, Коррадо; Бакир, Бадхис Бен; Летартр, Ксавье; Хардуин, Джули; Оливье, Николя; и др. (2012). «КМОП-совместимые ультракомпактные излучающие VCSEL с диаметром волны 1,55 мкм и использованием двойных фотонно-кристаллических зеркал». Письма IEEE Photonics Technology . 24 (6). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 455–457. дои : 10.1109/lpt.2011.2180711 . ISSN 1041-1135 . S2CID 26225783 .
^ Лаланн, П.; Хугонин, JP; Чавел, П. (2006). «Оптические свойства глубоких пластинчатых решеток: понимание связанного режима Блоха». Журнал световых технологий . 24 (6). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 2442–2449. дои : 10.1109/jlt.2006.874555 . ISSN 0733-8724 . S2CID 39696410 .
^ Карагодский, Вадим; Седжвик, Форрест Г.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (26 июля 2010 г.). «Теоретический анализ субволновых высококонтрастных решетчатых отражателей» . Оптика Экспресс . 18 (16). Оптическое общество: 16973–88. дои : 10.1364/oe.18.016973 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20721086 .
^ Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Ян, Вэйцзянь (4 сентября 2012 г.). «Высококонтрастные решетки для интегральной оптоэлектроники» . Достижения оптики и фотоники . 4 (3). Оптическое общество: 379–440. дои : 10.1364/aop.4.000379 . ISSN 1943-8206 .
^ " "Решатель высококонтрастных решеток" " . Архивировано из оригинала 7 апреля 2014 г. Проверено 1 апреля 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б Карагодский, Вадим; Песала, Бала; Чейз, Кристофер; Хофманн, Вернер; Кояма, Фумио; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (5 января 2010 г.). «Монолитно-интегрированные многоволновые матрицы VCSEL с использованием высококонтрастных решеток» . Оптика Экспресс . 18 (2). Оптическое общество: 694–9. дои : 10.1364/oe.18.000694 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20173889 .
^ Ву, Цзенг-Цонг; У, Шу-Сянь; Лу, Тянь-Чанг; Ван, Шинг-Чунг (25 февраля 2013 г.). «Лазеры поверхностного излучения с высококонтрастной решеткой на основе GaN». Письма по прикладной физике . 102 (8). Издательство AIP: 081111. doi : 10.1063/1.4794081 . ISSN 0003-6951 .
^ Сунь, Тяньбо; Ян, Вэйцзянь; Карагодский, Вадим; Чжоу, Вэйминь; Чанг-Хаснайн, Конни (9 февраля 2012 г.). Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Кояма, Фумио; Уиллнер, Алан Э.; Чжоу, Вэйминь (ред.). Медленный свет с низкими потерями внутри волновода с высококонтрастной решеткой . Том. 8270. ШПИОН. п. 82700А. дои : 10.1117/12.909962 .
^ В. Ян и К. Дж. Чанг-Хаснайн, «Сверхкомпактный оптический переключатель с использованием полого волновода с высококонтрастной решеткой», Конференция по лазерам и электрооптике, Технический дайджест OSA (CD) (Оптическое общество Америки, 2013).
^ Чжу, Ли; Карагодский, Вадим; Чанг-Хаснайн, Конни (9 февраля 2012 г.). Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Кояма, Фумио; Уиллнер, Алан Э.; Чжоу, Вэйминь (ред.). Новый высокоэффективный оптический соединитель вертикально-плоскостной связи . Том. 8270. ШПИОН. п. 82700Л. дои : 10.1117/12.909414 .

[1] Матеус, CFR; Хуанг, MCY; Дэн, Ю.; Нойройтер, Арканзас; Чанг-Хаснайн, CJ (2004). «Сверхширокополосное зеркало с использованием субволновой решетки с низким коэффициентом преломления». Письма IEEE Photonics Technology . 16 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 518–520. дои : 10.1109/lpt.2003.821258 . ISSN 1041-1135 . S2CID 3743244 .

[2] CJ Chang-Hasnain, CFR Mateus и MCY Huang, «Сверхширокополосное зеркало с использованием субволновой решетки», патент США 7,304,781 (4 декабря 2007 г.).

[3] Матеус, CFR; Хуанг, MCY; Чен, Л.; Чанг-Хаснайн, CJ; Сузуки, Ю. (2004). «Широкополосное зеркало (1,12–1,62 мкм) с использованием субволновой решетки». Письма IEEE Photonics Technology . 16 (7). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1676–1678. дои : 10.1109/lpt.2004.828514 . ISSN 1041-1135 . S2CID 3759679 .

[NP2007-4] Jump up to: ^а ^б Хуанг, Майкл Сай; Чжоу, Ю.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (2007). «Лазер поверхностного излучения, включающий субволновую решетку с высоким коэффициентом контрастности». Природная фотоника . 1 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 119–122. дои : 10.1038/nphoton.2006.80 . ISSN 1749-4885 .

[NP2008-5] Jump up to: ^а ^б ^с Хуанг, Майкл Сай; Чжоу, Е; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (24 февраля 2008 г.). «Наноэлектромеханический перестраиваемый лазер». Природная фотоника . 2 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 180–184. дои : 10.1038/nphoton.2008.3 . ISSN 1749-4885 .

[OE2008-6] Jump up to: ^а ^б Чжоу, Е; Мове, Майкл; Керн, Йоханнес; Хуанг, Майкл С.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (13 октября 2008 г.). «Поверхностно-нормальное излучение высокодобротного резонатора с использованием субволновой высококонтрастной решетки» . Оптика Экспресс . 16 (22). Оптическое общество: 17282–7. дои : 10.1364/oe.16.017282 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 18958010 .

[OE2009-7] Jump up to: ^а ^б Чжоу, Е; Карагодский, Вадим; Песала, Бала; Седжвик, Форрест Г.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (26 января 2009 г.). «Новый волновод с полым сердечником со сверхмалыми потерями и использованием субволновых высококонтрастных решеток» . Оптика Экспресс . 17 (3). Оптическое общество: 1508–1517. дои : 10.1364/oe.17.001508 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19188980 .

[NANOP2012-8] Jump up to: ^а ^б Ян, Вэйцзянь; Феррара, Джеймс; Груттер, Карен; Да, Энтони; Чейз, Крис; Юэ, Ян; Уиллнер, Алан Э.; Ву, Мин К.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (1 января 2012 г.). «Полый волновод с малыми потерями на кремниевой подложке» . Нанофотоника . 1 (1). Вальтер де Грюйтер ГмбХ: 23–29. дои : 10.1515/nanoph-2012-0003 . ISSN 2192-8614 . S2CID 15886942 .

[OE2010_1-9] Jump up to: ^а ^б Лу, Фанглу; Седжвик, Форрест Г.; Карагодский, Вадим; Чейз, Кристофер; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (27 мая 2010 г.). «Плоские фокусирующие отражатели и линзы с высокой числовой апертурой и малыми потерями, использующие субволновые высококонтрастные решетки» . Оптика Экспресс . 18 (12). Оптическое общество: 12606–14. дои : 10.1364/oe.18.012606 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20588387 .

[NP2010-10] Jump up to: ^а ^б Фаттал, Дэвид; Ли, Цзинцзин; Пэн, Чжэнь; Фиорентино, Марко; Босолей, Раймонд Г. (02 мая 2010 г.). «Отражатели с плоской диэлектрической решеткой и фокусирующей способностью». Природная фотоника . 4 (7). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 466–470. arXiv : 1001.3711 . дои : 10.1038/nphoton.2010.116 . ISSN 1749-4885 . S2CID 118369687 .

[11] Летартр, X.; Муэтт, Дж.; Леклерк, JL; Ромео, PR; Сеасаль, К.; Викторович, П. (2003). «Коммутационные устройства с пространственным и спектральным разрешением, сочетающие фотонно-кристаллические и МОЭМС-структуры». Журнал световых технологий . 21 (7). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1691–1699. дои : 10.1109/jlt.2003.814388 . ISSN 0733-8724 .

[PTL2012-12] Jump up to: ^а ^б Сцианкалепор, Коррадо; Бакир, Бадхис Бен; Летартр, Ксавье; Хардуин, Джули; Оливье, Николя; и др. (2012). «КМОП-совместимые ультракомпактные излучающие VCSEL с диаметром волны 1,55 мкм и использованием двойных фотонно-кристаллических зеркал». Письма IEEE Photonics Technology . 24 (6). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 455–457. дои : 10.1109/lpt.2011.2180711 . ISSN 1041-1135 . S2CID 26225783 .

[13] Лаланн, П.; Хугонин, JP; Чавел, П. (2006). «Оптические свойства глубоких пластинчатых решеток: понимание связанного режима Блоха». Журнал световых технологий . 24 (6). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 2442–2449. дои : 10.1109/jlt.2006.874555 . ISSN 0733-8724 . S2CID 39696410 .

[14] Карагодский, Вадим; Седжвик, Форрест Г.; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (26 июля 2010 г.). «Теоретический анализ субволновых высококонтрастных решетчатых отражателей» . Оптика Экспресс . 18 (16). Оптическое общество: 16973–88. дои : 10.1364/oe.18.016973 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20721086 .

[15] Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Ян, Вэйцзянь (4 сентября 2012 г.). «Высококонтрастные решетки для интегральной оптоэлектроники» . Достижения оптики и фотоники . 4 (3). Оптическое общество: 379–440. дои : 10.1364/aop.4.000379 . ISSN 1943-8206 .

[16] " "Решатель высококонтрастных решеток" " . Архивировано из оригинала 7 апреля 2014 г. Проверено 1 апреля 2014 г.

[OE2010_2-17] Jump up to: ^а ^б Карагодский, Вадим; Песала, Бала; Чейз, Кристофер; Хофманн, Вернер; Кояма, Фумио; Чанг-Хаснайн, Конни Дж. (5 января 2010 г.). «Монолитно-интегрированные многоволновые матрицы VCSEL с использованием высококонтрастных решеток» . Оптика Экспресс . 18 (2). Оптическое общество: 694–9. дои : 10.1364/oe.18.000694 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20173889 .

[18] Ву, Цзенг-Цонг; У, Шу-Сянь; Лу, Тянь-Чанг; Ван, Шинг-Чунг (25 февраля 2013 г.). «Лазеры поверхностного излучения с высококонтрастной решеткой на основе GaN». Письма по прикладной физике . 102 (8). Издательство AIP: 081111. doi : 10.1063/1.4794081 . ISSN 0003-6951 .

[19] Сунь, Тяньбо; Ян, Вэйцзянь; Карагодский, Вадим; Чжоу, Вэйминь; Чанг-Хаснайн, Конни (9 февраля 2012 г.). Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Кояма, Фумио; Уиллнер, Алан Э.; Чжоу, Вэйминь (ред.). Медленный свет с низкими потерями внутри волновода с высококонтрастной решеткой . Том. 8270. ШПИОН. п. 82700А. дои : 10.1117/12.909962 .

[20] В. Ян и К. Дж. Чанг-Хаснайн, «Сверхкомпактный оптический переключатель с использованием полого волновода с высококонтрастной решеткой», Конференция по лазерам и электрооптике, Технический дайджест OSA (CD) (Оптическое общество Америки, 2013).

[21] Чжу, Ли; Карагодский, Вадим; Чанг-Хаснайн, Конни (9 февраля 2012 г.). Чанг-Хаснайн, Конни Дж.; Кояма, Фумио; Уиллнер, Алан Э.; Чжоу, Вэйминь (ред.). Новый высокоэффективный оптический соединитель вертикально-плоскостной связи . Том. 8270. ШПИОН. п. 82700Л. дои : 10.1117/12.909414 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]