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].

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.

Литература к главе 2.2.:

1. R.Takahashi, Y.Kawamura, H.Iwamura Ultrafast 1.55 mm all-optical switching using low-temperature-grown multiple quantum wells. // Appl. Phys. Lett., 1996, 68, N 2, P.153-155.

2. О.П. Коновалова, А.И. Сидоров, И.И. Шаганов Интерференционные системы управляемых VO₂-зеркал для спектрального диапазона 0.6-10.6 мкм. // Оптический журнал, 1999, т.66, N5, с.13-22.