Полностью диэлектрический оптический диод - RU200579U1

Чертежи

Описание

Полезная модель относится к области оптики и может быть широко использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, в устройствах связи и может найти применение при создании и конструировании оптических вычислительных машин.

Полностью оптический диод (AOD - all-optical diode) представляет собой пространственно невзаимное устройство, основанное на одностороннем распространении света: обеспечивается различное оптическое пропускание в противоположных направлениях. Для определенной длины волны в идеальном случае оптический диод позволяет полностью передавать свет по прямому направлению и полностью «запирает» распространение света вдоль обратного направления. AOD является ключевым компонентом для систем следующего поколения обработки всех оптических сигналов, которые широко используются и в оптических компьютерах.

Известны оптические вентили, использующие поляроидные пленки [Галкин Ю.М. Электрооборудование автомобилей. М., 1947, с. 12-14]. В устройстве свет источника пропускают через поляроидную пленку и принимают через другую поляроидную пленку с такой же поляризацией. Если на приемную пленку попадает свет источника, имеющего другую поляризацию, то свет через нее не проходит.

Недостатком таких оптических вентилей является малый коэффициент передачи.

Известно устройство оптического диода на основе двумерных фотонных кристаллов [Патенты КНР №CN 104460174, CN 105022116], с использованием нелинейно оптических материалов [Патент КНР №CN 101692148] и т.д.

Недостатком является сложность устойства и его большие габариты.

Известны устройства оптических вентилей на основе магнитооптического эффекта Фарадея [Патент РФ 1800436; Патент РФ 2207609; Birh K.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v.43, 2, p. 79-84]. Оптический вентиль содержит магнитную систему и последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор.

Недостатком устройства является его сложность и большие габариты.

Известен активный акустооптический вентиль, описанный в [Патент 2109122 (Великобритания)] содержащий последовательно расположенные на оптической оси интерферометр Фабри-Перо, настроенный на пропускание излучения с частотой, равной частоте излучения источника света, и акустооптический брэгговский модулятор.

Недостатком акустооптического вентиля является то, что он требует затрат энергии, расходуемой на возбуждение акустической волны в акустооптическом брэгговском модуляторе и сложность устройства. Кроме того, частота оптического излучения на выходе акустооптического вентиля не равна частоте оптического излучения на его входе, что сужает область применения такого вентиля.

Известен оптический вентиль [А.С. 881650], содержащий собирающую линзу с продольной хроматической аберрацией, в пределах области аберрации которой установлена поглощающая маска с возможностью перемещения вдоль оптической оси в пределах аберрации линзы.

Недостатком является сложность устойства и его большие габариты.

Известен оптический диод (оптический вентиль), основанный на свойствах дифракционной оптики, выполненной на криволинейной поверхности, обеспечивающий разное пропускание в прямом и обратном направлениях [А.С. 1679458, Оптический вентиль]. Однако большие габариты таких устройств не позволяют использовать их в устройствах оптической микрофотоники.

Известен оптический вентиль [А.С. 699467], состоящий из ряда последовательно расположенных фоконов из оптически прозрачного материала, помещенных в оптически непрозрачную среду, обладающую поглощательными свойствами.

Недостатками устройства является его большими габаритами и сложность формы поверхности фокона.

Известен оптический диод, описанный в работе [Tvingstedt, K., Dal Zilio, S., Inganas, O., Tormen, M., 2008, Trapping light with micro lenses in thin film organic photovoltaic cells, Optics Express, Vol.16(26), pp. 21608-21615 (2008)]. Оптический диод состоит из микролинзы, в фокусе которой располагается отражающая поверхность подложки с микроотверстием, прошедшее излучение через которое фокусируется на приемнике, расположенном на большом расстоянии от фокуса микролинзы. При этом оптическое пропускание в прямом направлении (микролинза, отражающая поверхность подложки с отверстием) больше чем в обратном направлении (отражающая поверхность подложки с отверстием, микролинза).

Данное устройство использует микролинзы в комбинации с малым отверстием в фокусе этой линзы для создания асимметричной передачи светового излучения. Был получен эффект асимметрии передачи оптического излучения, но структура имела толщину и боковую ширину элементарной ячейки около 100 мкм или более 100-200 длин волны, что неприемлемо. Кроме того, наличие в конструкции оптического диода отражающей излучение подложки усложняет конструкцию за счет необходимости совмещения области фокусировки линзы и микроотверстия в непрозрачном для излучения отражающем экране.

Устранить недостатки указанного устройства предложено в работе [Патент РФ 178617]. В полностью оптическом диоде, содержащем фокусирующую микролинзу, в фокусе которой расположена отражающая излучения подложка с микроотверстием, за которой расположен приемник излучения, новым являлось то, что микролинза выполнена в виде диэлектрической частицы непосредственно контактирующей с отражающей излучение подложкой с микроотверстием и с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) оптического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука. - 1970]:

h=2,44 λFD^-1,

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.

Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.

Диаметр отверстия в отражающей поверхности связан с диаметром пятна Эйри. Для обеспечения максимального пропускания оптического излучения в прямом направлении, диаметр отверстия должен быть не менее диаметра пятна Эйри. С увеличением фокусного расстояния микролинзы увеличивается диаметр отверстия в отражающем экране. В этом случае увеличивается и пропускание оптического диода в обратном направлении.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет качество получаемого изображения и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y. W. Zheng, and B.S. Luk'yanchuk, // J. Exp.Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. Luk'yanchuk, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, “Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning,” Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4 - 6), 747 - 751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.

Было обнаружено, что диэлектрическая частица с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.

Недостатком этого устройства является его сложность.

Наиболее близким устройством к заявляемой полезной модели, принятым за прототип, является устройство оптического диода [Патент РФ 182548], содержащем фокусирующую микролинзу, выполненной в виде мезоразмерной конической диэлектрической частицы фокусирующей падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы в фокусе которой расположен приемник излучения. Достоинством устройства является его простота, отсутствие металлических поверхностей, малые габариты.

Недостатком устройства является его низкая эффективность.

Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно создание пассивного полностью диэлектрического оптического диода, с высокой эффективностью работы и улучшение их вентильных свойств.

Указанная задача решена благодаря тому, что в полностью диэлектрическом оптическом диоде, содержащем мезоразмерную коническую диэлектрическую частицу фокусирующую падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы в фокусе которой расположен приемник излучения, новым является то, что диэлектрическая частица выполнена в виде последовательности соосно расположенных диэлектрических частиц с одинаковой ориентацией разнесенных между собой. При этом расстояние между соответствующими мезоразмерными частицами выбирается в диапазоне от L=1,8D до 3,2D, при диаметре частицы не менее длины волны излучения в окружающей среде, где D - характерный диаметр частицы.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрическая частица в форме конуса или пирамиды, с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.

Выполнение диэлектрической частицы в виде последовательности соосно расположенных диэлектрических частиц с одинаковой ориентацией разнесенных между собой позволяет реализовать своеобразный квазиоптический волновод, что обеспечивает максимальную передачу электромагнитной энергии при падении излучения на вершину конуса и минимальную передачу электромагнитной энергии при падении излучения на их основание, в случае полного угла раствора частицы при ее вершине и коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания диэлектрической частицы.

Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние между коническими диэлектрическим частицами при котором достигается максимальная эффективность устройства, лежит в диапазоне от L=1,8D до 3,2D, при диаметре частицы не менее длины волны излучения в окружающей среде, где D - характерный диаметр частицы.

На фиг. 1 показана схема полностью диэлектрического оптического диода при работе в «прямом» направлении (а) и «обратном» (б).

Обозначения: 1 - направление падения оптического излучения на диэлектрическую коническую частицу в «прямом направлении» 2 - диэлектрическая частица в виде конуса, 3 - формируемая «фотонная струя», область повышенной интенсивности поля с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, 4 - направление падения оптического излучения на диэлектрическую частицу в «обратном направлении».

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В прямом направлении, падающее излучение 1 освещает диэлектрическую частицу 2, которая фокусирует это излучение в «фотонную струю» 3 с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, которая возникает непосредственно на теневой границе частицы 2, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. Далее фотонная струя 3 освещает следующую мезоразмерную коническую диэлектрическую частицу и процесс повторяется. В области фокусировки диэлектрической частицы установлен приемник оптического излучения, в котором осуществляется преобразование оптического сигнала, например, в электрический сигнал. Далее этот сигнал регистрируется. В результате осуществляется режим максимального пропускания оптического излучения.

Возможность передачи и максимального пропускания оптическим диодом, состоящим в виде последовательности соосно расположенных диэлектрических частиц с одинаковой ориентацией разнесенных между собой, подтверждается так же известными устройствами канализации и субволновой фокусировки электромагнитного излучения на основе мезоразмерных диэлектрических частиц [Патенты РФ №№161592, 163673, 163674, 166250, 2591282]. Однако эти устройства не обладают вентильными свойствами.

В обратном направлении оптическое излучение 4 падает на основание диэлектрической частицы 2. Далее, в результате полного внутреннего отражения, излучение из области вершины частицы 2 отражается назад и не выходит из области вершины, что обеспечивает минимальное пропускание оптического излучения в «обратном» направлении. При этом область фокусировки 3 формируется внутри материала диэлектрической частицы 2. В результате неизбежных погрешностей изготовления мезоразмерных диэлектрических частиц, часть излучения может пройти через диэлектрическую частицу 2. При выполнении диэлектрической частицы 2 в виде последовательности соосно расположенных диэлектрических частиц с одинаковой ориентацией разнесенных между собой прошедшее излучение 4 попадает на следующую коническую частицу 2 и процесс повторяется. Этим достигается минимум прохождения оптического излучения в оптическим диоде, при его использовании в «обратном» режиме.

В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» для характерных размеров конуса менее λ не формируется.

Устройство оптического диода может быть реализовано как в оптическом диапазоне, так в терагерцовом и сверхвысокочастотном диапазонах длин волн.

Кроме того, еще одним достоинством устройства является его принципиальная возможность работы в планарном варианте.

Техническим результатом является создание полностью диэлектрического оптического диода, с высокой эффективностью работы и улучшение их вентильных свойств.

Реферат

Полезная модель относится к области оптики и может найти применение при создании и конструировании оптических вычислительных машин. Полностью диэлектрический оптический диод содержит мезоразмерную коническую диэлектрическую частицу, фокусирующую падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы, в фокусе которой расположен приемник излучения. Диэлектрическая частица выполнена в виде последовательности соосно расположенных диэлектрических частиц с одинаковой ориентацией разнесенных между собой. Техническим результатом является создание полностью диэлектрического оптического диода с высокой эффективностью работы и улучшенными вентильными свойствами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула