Нелинейно-оптическое ограничение излучения в композитных средах с наноструктурами полупроводник-металл. 1 страница

В данном разделе рассмотрены нелинейно-оптические эффекты приводящие к ограничению излучения в композитных средах с наноструктурами, состоящими из полупроводникового (диэлектрического) ядра и металлической оболочки. Интерес к наноструктурам данного типа возник в конце 80^х – начале 90^х годов 20 века, когда в ряде теоретических работ (напр. [36, 37]) было показано, что спектральное положение плазмонного резонанса таких структур сильно зависит от соотношения радиусов ядра и оболочки. Это позволяет сдвигать плазмонный резонанс из видимой области спектра в ближний ИК диапазон. Кроме того, локальное усиление поля, в данном случае, может приводить к увеличению эффективной нелинейной восприимчивости не только металлической компоненты [38], но и полупроводниковой (диэлектрической) [39]. Развитие методов химического синтеза позволило создать сферические наноструктуры двух типов: с диэлектрическим ядром и металлической оболочкой [40, 41], а также с металлическим ядром и диэлектрической оболочкой [42] и исследовать их нелинейно-оптические свойства [38, 42].

Для ограничения излучения в спектральном интервале 0.4-1.1 мкм наноструктуры с нелинейно-поглощающим ядром и металлической оболочкой представляют значительный интерес. Как показано в [45] методами численного моделирования, в подобных наноструктурах при светоиндуцированном насыщении поглощения в ядре (k_c) происходит увеличение сечения поглощения и рассеяния всей наноструктуры в спектральной области плазмонного резонанса (рис.10).

Рис. 10. Спектры сечения поглощения (а) и рассеяния (б) наночастиц с оболочкой из Ag и поглощающим ядром [45]. 1 – k _c= 0, 2 – 0.05, 3 – 0.2, 4 – 0.5.

Учитывая эффект локального усиления поля электромагнитной волны в ядре наночастицы при плазмонном резонансе, можно ожидать, что в таких средах будет возникать низкопороговое ограничение излучения.

Нами разработаны методы синтеза наноструктур с полупроводниковым ядром и оболочкой из серебра, обладающих низкопороговыми нелинейно-оптическими свойствами в видимом и ближнем ИК диапазонах.

Исследовались два типа наноструктур:

1. С ядром из ZnO, легированном серебром (ZnO:Ag). Примесь Ag формирует глубокие примесные уровни в запрещенной зоне ZnO. Формирование оптического отклика в таких наноструктурах происходит за счет насыщения примесного поглощения. Оболочка наноструктуры была изготовлена из серебра. Спектральный интервал нелинейно-оптического отклика 0.5-0.6 мкм;

2. С ядром из HgO, легированном серебром (HgO:Ag) и оболочкой из серебра. Спектральный интервал нелинейно-оптического отклика 0.8-1.1 мкм;

Наночастицы для ядра наноструктуры экстрагировались из порошков соответствующих материалов. Размер наночастиц определялся с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Оболочка из серебра формировалась методом химического осаждения серебра. Толщина оболочки выбиралась таким образом, чтобы плазмонный резонанс наноструктуры попадал в спектральную область воздействующего лазерного излучения. Необходимо отметить, что наночастицы ядра имели неправильную форму, что оказывало влияние на спектральное положение и спектральную ширину плазмонных резонансов конечных наноструктур. В качестве прозрачной матрицы для наноструктур использовался полиметилметакрилат (ПММА). Концентрация наноструктур в ПММА составляла 0.1-0.05 %. Исследовались образцы композитных материалов толщиной 3-6 мм. Линейный коэффициент пропускания образцов в спектральном интервале 0.5-1.1 мкм был равен 70-80 %.

На рис.11 показаны экспериментальные зависимости коэффициента пропускания от плотности энергии воздействующего излучения для композитов, содержащих наноструктуры с оболочкой из серебра для λ = 0.53 и 1.06 мкм при длительности лазерного импульса 10 нс. Из рисунка видно, что характерной особенностью оптического отклика для данного типа наноструктур является уменьшение коэффициента пропускания при плотности энергии падающего излучения Е _вх = 2·10^-7- 3·10^-7 Дж/см². Наблюдаемый эффект ограничения излучения связан с насыщением примесного поглощения в ядре наноструктуры, что приводит к увеличению амплитуды плазмонного резонанса и к росту сечения поглощения и рассеяния наноструктуры в целом.

Рис. 11. Ограничение излучения в композитных материалах с наноструктурами, имеющими полупроводниковое ядро с насыщением примесного поглощения и оболочку из серебра. а - ZnO:Ag, λ = 0.53 мкм, 2 - HgO:Ag, λ = 1.06 мкм. τ = 10 нс.

Контрольные эксперименты с композитами, содержащими наночастицы без металлических оболочек показали, что в этом случае зависимость T (Е _вх) близка к линейной, с небольшим просветлением среды при Е _вх>10^-3 Дж/см².

Литература к главе 1.6.:

1. G.S.Agarwal, R.Inguva Effective medium theory of a heterogeneous medium with individual grains having a nonlocal dielectric function // Phys. Rev. B, 1984, 30, 6108-6117.

2. C.F.Bohren, D.K.Huffman Absorption and scattering of light by small particles. N-Y, 664 p., 1983.

3. M.Born, E.Wolf Principles of optics. N-Y, Pergamon Press, 720 p., 1968.

4. M.C.Nuss, W.Zinth, W.Kaiser // Appl. Phys. Lett., 1986, 49, 1717.

5. N.Finlayson, W.C.Banyal, C.T.Seaton et al Optical nonlinearities in CdS_xSe_1-x-doped glass waveguides. // JOSA B, 1989, 6, N4, 675-684.

6. Y.Wang, N.Herron, W.Mahler et al Linear- and nonlinear-optical properties of semiconductor clusters // JOSA B, 1989, 6, N4, 808-813.

7. S.Ohtsuka, T.Koyama, K.Tsunetomo et al Nonlinear optical property of CdTe microcrystallites doped glasses fabricated by laser evaporation method // Appl. Phys. Lett., 1992, 61, N25, 2953-2954.

8. A.M.Malyarevich, I.A.Denisov, V.G.Savitsky Glass doped with PbS quantum dots for passive Q switching of 1.54 μm laser // Appl. Opt., 2000, 39, N24, 4345-4347.

9. I.Kang, F.W.Wise Electronic structure and optical properties of PbS and PbSe quantum dots // JOSA B, 2000, 14, 1632-1646.

10. Y.-P.Sun, J.E.Riggs, H.W.Rollins et al Strong optical limiting of silver-containing nanocrystalline particles in stable suspensions // J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 77-82.

11. O.P.Mikheeva, A.I.Sidorov The optical nonlinearity of nanoparticles of wide-band semiconductors and isolators in the visible and near IR regions.// Zurnal tekhnich. fiziki, 2004, 74, N 6, 77-82 (Rus).

12. M.R.V.Sahyun, S.E.Hill, N.Serpone et al Optical limiting characteristics and mechanism of silver bromide nanosols // J.Appl.Phys., 1996, 79, N 10, 8030-8037.

13. W.Bruckner, H.Opperman, W.Reichelt et al Vanadiumoxide. Akademie-Verlag, Berlin, 252 p., 1983.

14. M.Tazawa, P.Jin, S.Tanemura Optical constants of V_1-xW_xO₂ films // Appl. Opt., 1998, 37, N 10, 1858-1861.

15. M.F.Becker, A.B.Buckman, R.W.Walser et al Femtosecond laser excitation dynamics of the semiconductor-metal phase transition in VO₂ // J. Appl. Phys., 1996, 79, N 5, 2404-2408.

16. A.Cavalleri, C.Toth, C.W.Siders et al Femtosecond structural dynamics in VO₂ during an ultrafast solid-solid phase transition // Phys. Rev. Lett., 2001, 87, N 23, 237401-1 – 237401-4.

17. G.I.Petrov, V.V.Yakovlev Nonlinear optical microscopy analysis of ultrafast phase transformation in vanadium dioxide // Opt. Lett., 2002, 27, N 8, 655-657.

18. M.Rini, A.Cavalleri, R.W.Schoenlein Photoinduced phase transition in VO₂ nanocrystals: ultrafast control of surface-plasmon resonance // Opt. Lett., 2005, 30, N5, 558-560.

19. Lopez R., Boatner L.A., Haynes T.E. et al Synthesis and characterization of size-controlled vanadium dioxide nanocrystals in a fused silica matrix // J. Appl. Phys., 2002, 92, N 7, 4031-4036.

20. V.G. Golubev, D.A. Kurdjukov, A.B. Pevtsov et al. Hysteresis of photon band in VO₂ photon crystal during semiconductor-metal phase transition// Fiz. Tekhn. Poluprovod., 2002, 36, N9, 1122-1127, (Rus).

21. A.V. Akimov., A.V. Virchenko., V.G. Golubev. и др. Rearrangement of Bregg diffraction spectrum in opal- VO₂ composites under the action of laser pulses //Fiz. Tverd. Tela, 2003, 45, N2, 231-234, (Rus).

22. А.А.Ostrosablina, A.I.Sidorov The optical properties of the controllable multilayer interferometers with vanadium dioxide nanoparticles. // Optichesky zurnal, 2004, 71, №7, 3-8.

23. Lopez R, Haynes T.E., Boatner L.A. et al Size effects in the structural phase transition of VO₂ nanoparticles // Phys. Rev. B, 2002, 65, N 6, 224113-1 – 5.

24. J.-F. Xu, R.Czerw, S.Webster et al Nonlinear optical transmission in VO_x nanotubes and VO_x nanotube composites // Appl. Phys. Lett., 2002, 81, N9, 1711-1713.

25. P.Chakraborty Metal nanoclasters in glasses as non-linear photonic materials // J. Mater. Sci., 1998, 33, 2235-2249.

26. J.W.Haus, N.Kalyaniwalla, R.Inguva et al Nonlinear-optical properties of conductive spheroidal particle composites // JOSA B, 1989, 6, N 4, 797-807.

27. M.J.Bloemer, M.C.Buncick, R.J.Warmack et al Surface electromagnetic modes in prolate spheroids of gold, aluminium and copper // JOSA B, 1988, 5, N 12, 2552-2559.

28. M.I.Stockman Ultrafast processes in metal-insulator and metal-semiconductor nanocomposites // Proc. SPIE, 2003, 4992, 60-74.

29. K.Uchida, S.Kaneko, S.Omi et al Optical nonlinearities of a high concentration of small metal particles dispersed in glass: copper and silver particles // JOSA B, 1994, 11, N 7, 1236-1243.

30. Y.Hamanaka, A.Nakamura, S.Omi et al Ultrafast response of nonlinear refractive index of silver nanocrystals embedded in glass // Appl. Phys. Lett., 1999, 75, N12, 1712-1714.

31. G.Ma, J.He, S.-H.Tang Femtosecond nonlinear birefrigence and nonlinear dichroism in Au:TiO₂ composite films // Phys. Lett. A, 2003, 306, 348-352.

32. R.H.M.Groeneveld, R.Sprik, A.Lagendijk Femtosecond spectroscopy of electron-electron and electron-phonon energy relaxation in Ag and Au // Phys. Rev. B, 1995, 51, N 17, 11433-11445.

33. W.S.Fann, R.Storz, H.W.K.Tom et al Electron thermalization in gold // Phys. Rev. B, 1992, 46, N 20, 13592-13595.

34. D.Steinmuller-Nethl, R.A.Hopfel, E.Gornik et al Femtosecond relaxation of localized plasma excitations in Ag islands // Phys. Rev. Lett., 1992, 68, N 3, 389-392.

35. R.Philip, S.Mujumdar, H.Ramachandran et al Comparative features of optical limiting in monolayer protected gold, silver and alloy nanoclasters under picosecond and nanosecond laser excitation // Nonlinear optics, 2001, 27, N 1-4, 357-365.

36. A.E.Neeves, M.H.Birnboim Composite structures for the enhancement of nonlinear-optical susceptibility // JOSA B, 1989, 6, N 4, 787-796.

37. J.W.Haus, H.S.Zhou, S.Takami et al Enhanced optical properties of metal-coated nanoparticles // J. Appl. Phys., 1993, 73, N 3, 1043-1048.

38. R.D.Averitt, S.L.Westcott, N.J.Halas Ultrafast optical properties of gold nanoshells // JOSA B, 1999, 16, N 10, 1814-1823.

39. L.Gao Optical bistability in composite media with nonlinear coated inclusions // Phys. Lett. A, 2003, 318, 119-125.

40. R.D.Averitt, S.L.Westcott, N.J.Halas The linear optical properties of gold nanoshells // JOSA B, 1999, 16, N 10, 1824-1832.

41. H.S.Zhou, I.Honma, H.Komiyama et al Controlled synthesis and quantum-size effect in gold-coated nanoparticles // Phys. Rev. B, 1994, 50, 12052-12056.

42. M.Anija, J.Thomas, N.Singh et al Nonlinear light transmission through oxide-protected Au and Ag nanoparticles: an investigation in the nanosecond domain // Chem. Phys. Lett., 2003, 380, 223-229.

43. А.И.Сидоров, О.П.Виноградова, И.Е.Обыкновенная, Т.А.Хрущева Синтез и оптические свойства наночастиц диоксида ванадия в нанопористых стеклах // Письма в ЖТФ, 2007, 33, В.13, С.85-88.

44. А.А.Остросаблина, А.И.Сидоров Нелинейно-оптические свойства толстых композитных сред с наночастицами диоксида ванадия. I. Самодефокусировка излучения видимого и ближнего ИК диапазона. // Оптический журнал, 2005, Т.72, № 7, С.36-41.

45. А.И.Сидоров Инверсия поглощения и рассеяния при плазмонном резонансе в наночастицах с металлической оболочкой. // ЖТФ, 2006, Т.76, В.10, С.136.

Выводы по разделу 1.

На основании данных, приведенных в разделе, можно сделать вывод, что наиболее перспективными нелинейно-оптическими средами для ограничения излучения в спектральном интервале 0.4-1.1 мкм являются среды на основе фуллеренов и углеродных наноструктур (0.3-1.3 мкм), а также композитные среды полупроводник-металл (см. табл.1).

Таблица 1. Параметры ограничителей для спектрального диапазона 0.4-1.1 мкм.

Материал ограничителя и НЛО эффект	Спектр. диап., мкм	Имп. режим	Длительн. имп.	Быстро-действие, нс	Динамич. диапазон	Начальн.пропуск. *, %	Порог ограничения **
Фуллерены, нелинейное поглощение и рассеяние	0.4-0.6	+	пс, нс, мкс	<1 нс		50-80	1-10 мкДж
Суспензии астраленов в спирте, нелинейное пглощение и рассеяние	0.3-1.3	+	нс, мкс	<1 нс		50-70	10 мкДж
Суспензии CBS в спирте, рассеяние	0.3-1.3	+	нс, мкс	<1 нс	10^4-10^5		1 мкДж
Суспензии многослойных нанотрубок в воде, нелинейное поглощение и рассеяние	0.3-1.3	+	нс, мкс	<1 нс			2 мкДж
Органич. соед., 2-, 3-фотонное погл.	0.4-0.7	+	пс, нс	<1 нс	-	50-90	5-20 мкДж
Монокрист. полуроводн., 2-фотонное погл.,	0.4-1.1	+	пс, нс	<1 нс	-	50-80	5-10 мкДж
Монокрист. полуроводн.,самодефокусировка, 2-фотонное погл.	0.4-1.1	+	пс, нс	<1 нс		50-80	10-1000 нДж
Монокрист. Полуроводн., самодефокусировка, 1-фотонное примесное погл.	0.4-1.1	+	пс, нс, мкс	<1 нс		40-70	10-100 пДж
Кристаллы с ионами переходных металлов, светорассеяние	0.4-1.1	+	пс, нс	<1 нс		50-80	10 нДж
НЛО-интерферометры с пленками полупров.	0.4-1.1	+	пс, нс, мкс	<1 нс		50-80	100-200 Вт/см^2
Композиты с нано-частицами полупров. и металлов, поглощение, рассеяние	0.4-1.1	+	пс, нс, мкс	<1 нс	100-1000	40-90	2-100 пДж

* - для нелинейных интерферометров – пропускание либо отражение;

** - приведены наилучшие экспериментально полученные пороги ограничения.

В таких средах может быть получено высокое быстродействие (менее 1 нс) и высокий начальный коэффициент пропускания (более 70 %). В то же время, пока не существует нелинейно-оптического материала для ограничения излучения, способного перекрыть весь спектральный диапазон 0.4-1.1 мкм и при этом обеспечить совместное выполнение всех требований ТЗ. Данная проблема может быть решена следующими способами:

- Создание композитных материалов, содержащих разные типы наночастиц и наноструктур, каждый из которых обеспечивает ограничение излучения в своем спектральном диапазоне и в своем диапазоне энергий падающего излучения.

- Создание многокаскадных ограничителей, содержащих несколько нелинейно-оптических сред с разными характеристиками.

Раздел 2. Ограничители излучения для спектрального диапазона 1-2 мкм (τ =10 нс – 100 мкс)

Глава 2.1. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в монокристаллических полупроводниках.

Нелинейно-оптические эффекты в монокристаллических полупроводниках, которые могут быть использованы для ограничения излучения, были подробно рассмотрены в разделе 1 для спектрального интервала 0.4-1.1 мкм. Аналогичные эффекты – двухфотонное поглощение, а также самодефокусировка излучения при двухфотонном и однофотонном примесном поглощении могут быть использованы для ограничения излучения в спектральном интервале 1-2 мкм. Ограничение излучения с λ = 1.06 мкм при самодефокусировке в результате двухфотонного поглощения было получено в GaAs для длительности импульса излучения 40 пс [1]. Порог ограничения в этом случае составил 0.5 мкДж. Малая эффективность двухфотонного поглощения при длительности лазерного импульса 10 нс-100 мкс не позволяет обеспечить ограничение при низких энергиях излучения. Поэтому практический интерес для ограничения излучения в данном интервале длительностей импульса представляет только самодефокусировка излучения при однофотонном примесном поглощении.

Основными материалами, которые используются для ограничения излучения в спектральном интервале 1-2 мкм являются монокристаллические GaAs и ZnSe, легированные примесями, создающими глубокие примесные уровни с ΔЕ = 0.5-0.8 эВ. Линейный коэффициент пропускания в данных материалах зависит от концентрации примеси, толщины пластины полупроводника, длины волны излучения и лежит в пределах 30-80 %. Ограничение излучения в этих материалах в спектральном диапазоне 1.06-1.54 мкм для длительности лазерного импульса 5 нс – 6 мкс исследовалось в работах [2-9]. На рис.1 показана кривая ограничения при самодефокусировке в GaAs, легированном кислородом для λ = 1.315 мкм и τ = 50 нс [7].

Рис.1. Ограничение излучения при самодефокусировке в GaAs:O. λ = 1.315 мкм и τ = 50 нс [7].

Из рисунка видно, что порог ограничения составляет 2 пДж, а динамический диапазон достигает 10⁴. Аналогичные результаты были получены и для монокристаллического ZnSe, легированного кислородом. При увеличении длительности лазерного импульса и переходе в микросекундный диапазон в этих материалах также наблюдается низкопороговое ограничение излучения (рис.2 [7]). Однако, при увеличении длительности импульса эффективность ограничения уменьшается. В основном, это связано с процессами рекомбинации свободных электронов и с расплыванием динамической линзы из-за диффузии носителей заряда.

Рис. 2. Ограничение излучения при самодефокусировке в GaAs:O (а) и ZnSe:O (б). λ = 1.315 мкм и τ = 6 мкс [7].

Наличие в полупроводнике примесей с ΔЕ=0.6-0.7 эВ позволяет получить ограничение излучения на длине волны 1.5-1.6 мкм. На рис. 3 показаны кривые ограничения для GaAs:О ZnSe:О на длине волны 1.54 мкм при длительности лазерного импульса 20 нс [7].

Рис. 3. Ограничение излучения при самодефокусировке в GaAs:O (а) и ZnSe:O (б). λ = 1.54 мкм и τ = 20 нс [7].

Из рисунка видно, что порог ограничения для GaAs:O лежит ниже 10^-12 Дж, а для ZnSe:O - ниже 10^-10 Дж. Динамический диапазон ограничения составляет 10³-10⁴. На кривой ограничения в GaAs:O при Е_вх = 10^-7 Дж видна также область ограничения, связанная с самодефокусировкой в результате двухфотонного поглощения. Исследования ограничения излучения в данных материалах в спектральном интервале 1.6-2 мкм не проводились. Однако, исходя из механизма ограничения можно предположить, что при наличии в полупроводнике примесей с ΔЕ=0.4-0.6 эВ эффект ограничения может быть реализован и в этом спектральном интервале. Подтверждением этого является экспериментально наблюдаемое ограничение излучения в монокристаллах ZnSe:Zn в спектральном интервале 3.8-4.2 мкм, связанное с глубоким примесным уровнем с ΔЕ=0.23 эВ [7] (см. также раздел 3).

В работе [5] было экспериментально показано, что эффект ограничения при самодефокусировке излучения с λ = 1.55 мкм (τ = 5 нс) в примесных GaAs и ZnSe сохраняется при частоте повторения лазерных импульсов до 100 кГц. Однако, с увеличением частоты уменьшается динамический диапазон ограничения. Это связано с возникновением положительной тепловой линзы в области воздействия луча при высокой интенсивности излучения.

Таким образом, самодефокусировка излучения при однофотонном поглощении в примесных полупроводниках позволяет получить эффективное и низкопороговое ограничение излучения в спектральном интервале 1-2 мкм для нано- и микросекундных лазерных импульсов. Достоинства и недостатки данного типа ограничителе подробно описаны в разделе 1. Основным недостатком является сильная зависимость эффекта ограничения от пространственного распределения излучения, падающего на вход ограничителя.

Литература к главе 2.1.:

1. T.F.Boggess, A.L.Smirl, S.C.Moss et al Optical limiting in GaAs // IEEE J. of Quant. Electr., 1985, QE-21, N 5, P.488-494.

2. И.В. Багров, А.П. Жевлаков, А.И. Сидоров Ограничение лазерных импульсов нано- и микросекундного диапазона в компенсированном арсениде галлия. // Письма в ЖТФ, 2001, т.27, в.10, с.26-30.

3. А.Г. Калинцев, О.П. Михеева, А.И. Сидоров Ограничение излучения с длиной волны 1.06 мкм в компенсированном арсениде галлия. // Письма в ЖТФ, 2001, т.27, в.24, с.90-94.

4. А.И.Сидоров Механизм низкопорогового ограничения излучения в компенсированном арсениде галлия. // Оптический журнал, 2002, Т.69, №1, 7-10.

5. О.П. Михеева, А.И. Сидоров, А.С. Хайкина, Е.В. Чугуевец Особенности оптического ограничения импульсно-периодического лазерного излучения в примесном GaAs и ZnSe. // Письма в ЖТФ, 2002, т.28, в.2, с.21-24.

6. А.И.Сидоров Динамика поглощения импульсного лазерного излучения в широкозонном примесном полупроводнике // Оптический журнал, 2002, Т.69, №10, 15-20.

7. И.В.Багров, А.П.Жевлаков, О.П.Михеева, А.И.Сидоров, В.В.Судариков Низкопороговое ограничение инфракрасного излучения в примесных полупроводниках // Оптический журнал. 2002, Т.69, №2, С.15-20.

8. О.Б.Данилов, А.И.Сидоров Оптический ограничитель Пат. РФ №2216837, приоритет 01.10.2001.

9. А.И.Сидоров Динамика фотоиндуцированной линзы в примесном полупроводнике вблизи порога оптического ограничения // Письма в ЖТФ, 2003, Т.29, В. 7, С.77-80.

Глава 2.2. Ограничители излучения на основе нелинейно-оптических интерферометров.

В настоящее время разработано большое количество нелинейно-оптических интерферометров на основе многослойных структур с квантовыми ямами (MQW) для спектрального интервала 1-2 мкм, используемых в качестве быстродействующих и низкопороговых оптических переключателей. При соответствующем выборе оптической толщины среды между зеркалами интерферометра они могут быть использованы и в качестве оптических ограничителей. Для иллюстрации быстродействия и энергетических характеристик таких нелинейных интерферометров рассмотрим свойства MQW-структуры на основе механически напряженной InGaAs/InAlAs легированной Be и выращенной при низкой температуре [1]. При низкотемпературном выращивании эпитаксиальных слоев, в них возникает нестехиометричность за счет избытка As. Это, совместно с легированием Be, позволяет уменьшить нерадиационное время рекомбинации носителей до 1 пс. Механическое напряжение приводит к расщеплению экситонных уровней e -HH и e -LH и появлению экситонного пика поглощения на длине волны 1.55 мкм (рис. 4, а). Оптический переключатель представляет собой MQW-структуру, выращенную на Au-зеркале с внешним AR-покрытием. Механизм оптического переключения – насыщение экситонного поглощения, приводящее к увеличению коэффициента отражения на длине волны 1.55 мкм. На рис. 4, б показано изменение коэффициента отражения переключателя под действием импульса излучения длительностью 700 фс с энергией 2 пДж. Из рисунка видно, что при столь малой энергии управления, модуляция оптического сигнала превышает 13 дБ за время не более 1.5 пс. Очевидно, что при введении дополнительных отражающих покрытий данный переключатель может быть использован в качестве ограничителя излучения. Однако, он может функционировать только в узком спектральном интервале, а его динамический диапазон не превышает 100.

Рис.4. Оптическое переключение в MQW-структуре [1]. а – спектр поглощения напряженной MQW–структуры, легированной Be. б – оптический отклик структуры под действием импульса излучения (l=1.55 мкм, t=700 фс, Е=2 пДж).

Для ограничения излучения в спектральном интервале могут быть использованы нелинейно-оптические интерферометры с пленкой диоксида ванадия. В таблице 1 представлены характеристики интерферометров с пленкой VO₂, в которых при фазовом переходе полупроводник-металл (например, под воздействием излучения) происходит уменьшение коэффициента отражения [2]. В графе конструкция указаны материалы слоев интерферометров и их толщина в микрометрах.

Таблица 1. Характеристики управляемых интерферометров с пленкой VO₂ для спектрального диапазона 1-2 мкм [2].

l, мкм	Конструкция	Rmax	Rmin
2.0	Si(0.04)-SiO2(0.35)-Si(0.143)-SiO2(0.667)-VO2(0.14)-Au
Si(0.1)-VO2(0.12)-Au		0.4
1.3	Si(0.039)-SiO2(0.224)-Si(0.093)-SiO2(0.403)-VO2(0.09)-Au
Si(0.045)-VO2(0.09)-Au		0.1
1.06	ZnSe(0.053)-MgF2(0.191)-ZnSe(0.107)-MgF2(0.193)-ZnSe(0.107)-SiO2(0.303)-VO2(0.07)-Au
ZnSe(0.05)-VO2(0.09)-Au		1.1

Из таблицы видно, что модуляция коэффициента отражения в таких интерферометрах может превышать 100. Характеристики ограничения интерферометрами улучшаются при увеличении длины волны от 1 до 2 мкм. Это связано с увеличением модуляции коэффициентов преломления и поглощения VO₂ при фазовом переходе при увеличении длины волны (см. таблицу 2 в разделе 1.3). Основным недостатком интерферометров данного типа и ограничителей на их основе является узкий спектральный диапазон функционирования.

Дата добавления: 2015-06-28