способ изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле посредством оптического возбуждения световым излучением носителей, отличающийся тем, что носители возбуждают световым излучением с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны, при этом используют двухступенчатую систему возбуждения примесного иона Еr, внедренного в однородную оптическую среду, через промежуточное резонансное состояние примесного иона.

2. Устройство для изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле, включающее монохроматический источник излучения и среду, отличающееся тем, что выбран источник излучения с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны, а в однородную оптическую среду внедрены ионы редкоземельного элемента, при этом энергия оптических квантов выбрана резонансно совпадающей с энергиями двух последовательных внутрицентровых переходов иона редкоземельного элемента, а их суммарная энергия выбрана превышающей ширину запрещенной зоны.

3. Устройство для изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле по п.2, отличающееся тем, что в однородную оптическую среду внедрены ионы Еr³⁺.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптоэлектроники и интегральной оптики и применимо для создания элементов оптических систем связи.

Известна система для формирования голограммы, содержащая два источника когерентного излучения, образец, расположенный на пути лучей этих источников, при этом эти лучи интерферируют внутри образца и индуцируют появление областей фотохимических изменений в образце в результате поглощения двух фотонов. Образец содержит по крайней мере один хромофор, абсорбирующий два фотона, по крайней мере один инициатор, по крайней мере одну матрицу (WO 0171431).

Недостатком этой системы является необратимый характер изменений показателя преломления, не позволяющий реализовать динамический, обратимый эффект изменения коэффициента преломления. Кроме того, полимерная матрица обладает меньшей устойчивостью по отношению к внешним воздействиям и агрессивным средам по сравнению с матрицей на основе халькогенидного стекла.

Наиболее близким является способ записи и воспроизведения оптической информации, в котором пленочную среду из халькогенидного стекла экспонируют записывающим оптическим излучением с различными требуемыми длинами волн, при этом энергия квантов излучения больше или равна ширине запрещенной зоны материала среды. Одновременно материал среды подвергают химическому травлению до требуемого изменения толщины информационных участков. При воспроизведении регистрируют отражение от информационных участков среды воспроизведенные световые сигналы с длинами волн отличным от длин волн воспроизводящего излучения (РФ, патент №2028015, G 11 B 7/26, опубл. 1995.01.27).

Недостатком данного способа является запись только в тонком слое, т.е. недостаточно большой объем записанной информации.

В основу изобретения положена задача создания способа и устройства для обратимого изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле, в которых за счет выбора образца, обеспечивающего возможность использования двухступенчатого процесса возбуждения, достигают значительного уменьшения энергоемкости процесса записи, тем самым обеспечивая возможность применения менее мощных лазеров, что приводит к удешевлению системы. Так как в качестве образца выбран не полимер, а стеклянный полупроводник, то повышается устойчивость изменения коэффициента преломления. Отметим, что при двухступенчатом способе изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле обеспечивается очень высокая устойчивость к внешним воздействиям, как возникающим при считывании информации, так и к посторонним воздействиям вследствие использования стеклянного носителя.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в способе изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле посредством оптического возбуждения носителей носители возбуждают световым излучением с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны халькогенидного стекла, при этом используют двухступенчатую схему возбуждения примесного иона редкоземельного элемента, внедренного в однородную оптическую среду, через промежуточное резонансное состояние примесного иона. В устройстве для обратимого изменения коэффициента преломления в халькогенидном стекле, включающем монохроматический источник излучения и среду, выбран источник излучения с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны халькогенидного стекла, а в однородную оптическую среду внедрены ионы редкоземельного металла, при этом энергия оптических квантов выбрана резонансно совпадающей с энергиями двух последовательных внутрицентровых переходов иона редкоземельного элемента, а их суммарная энергия выбрана превышающей ширину запрещенной зоны.

Изменение показателя преломления, получаемое при двухступенчатом процессе, требует для своего осуществления значительно меньшую энергию вследствие возможности накапливания энергии в резонансном состоянии. Изобретение поясняется с помощью чертежа (см. фиг.3 в статье авторов H.T.Amorim и др., опубликованной в Journal of Luminescence, том 78, стр.271-277 в 1998 году), на котором показана схема двухступенчатого взаимодействия.

Способ можно пояснить следующим образом.

Стеклообразные полупроводники в качестве матрицы для внедрения РЗИ обладают рядом особенностей по сравнению с другими оптическими материалами. В качестве основных особенностей можно упомянуть следующие. Низкие частоты фононов и, как результат, практическое отсутствие многофононной безызлучательной релаксации РЗИ. Высокие ковалентность химических связей и показатель преломления обуславливают большую силу осцилляторов внутрицентровых переходов РЗИ. Близость величин энергии межзонных переходов матрицы стеклообразного полупроводника и энергии внутрицентровых переходов РЗИ предопределяют возможность безызлучательного энергетического обмена между этими переходами. Обратный процесс - безызлучательная передача энергии от возбужденного иона РЗМ матрице стеклообразного полупроводника за счет межзонного перехода может иметь место при наличии иона редкоземельного элемента, в частности иона Еr³⁺.

Это означает, что в стеклообразном полупроводнике имеет место внутренний (косвенный) фотоэффект за счет поглощения фотонов с энергией в полтора - два раза меньше энергии ширины запрещенной зоны. Такой фотоэффект обладает рядом особенностей. Коэффициент оптического поглощения варьируется в пределах от 10^-1 до 10² см^-1 при изменении концентрации ионов редкоземельного элемента от 0,005 до 5 атомных процентов в отличие от обычного фотоэффекта с коэффициентом оптического поглощения порядка 10⁴ см^-1. Следовательно, генерация носителей происходит не в поверхностном слое, а по всему объему полупроводника. Косвенный фотоэффект спектрально селективен. Его селективность определяется спектральной шириной полос поглощения РЗИ. Так, для иона Еr³⁺ полуширина рабочего перехода с длиной волны 810 нм в матрице халькогенидного стекла составляет 30 нм.

Подобный фотоэффект аналогичен двухфотонному процессу генерации носителей, однако в сравнении с ним вероятность косвенного фотоэффекта существенно выше. В отличие от двухфотонных процессов косвенный фотоэффект проходит в две стадии. Поглощение первого фотона приводит к возбуждению иона эрбия, а поглощение второго кванта, приводящее затем к рождению носителей, в отличие от двухфотонного фотоэффекта происходит с произвольной временной задержкой, ограниченной лишь характерными временами релаксации возбужденного состояния РЗИ, которые могут быть достаточно велики. Для иона Еr³⁺ в халькогенидной матрице время релаксации составляет 30 мкс.

Следствием обсуждаемого эффекта, кроме очевидного увеличения световой электропроводности, должно быть и увеличение показателя преломления. Как и для двухфотонного процесса, эффективность косвенного фотоэффекта возрастает с увеличением квадрата плотности светового потока.

Приведем численный пример обратимых изменений коэффициента преломления, реализуемых при возбуждении ионов Еr³⁺ в халькогенидной матрице с концентрацией 0,5 атомных процентов лазерным излучением с энергией Е=0.1 Дж и длительностью =10 ^-8 сек. Коэффициент поглощения этого излучения на внутрицентровых переходах лантаноида =1 см^-1. Площадь сечения пучка лазерного излучения равна S=10^-2 см². Чтобы определить концентрацию свободных носителей (электронов и дырок), создаваемую одним импульсом, (n) необходимо разделить удвоенную энергию одного импульса на произведение энергии генерации пары носителей (равную энергии двух квантов лазерного излучения 2h) на объем освещенной области (S/) и умножить на произведение квантовых эффективностей двукратного возбуждения эрбия (P₁) и генерации свободных носителей в результате передачи энергии от двукратно возбужденного эрбия в зону проводимости (Р₂).

При 100% квантовой эффективности данная концентрация свободных носителей приведет к изменению коэффициента преломления на 0,2, а в реальном халькогенидном стекле с учетом квантовой эффективности процесса апконверсии получаемые изменения коэффициента преломления на длине волны 1 микрон составляют n=0,002. При этом дополнительный набег фазы на длине образца, равной 1 см, составит примерно 1 радиан, что соответствует сдвигу интерференционной картины примерно на 0,4 полосы.