9.3. Интегральные параметрические генераторы оптических и электромагнитных волн терагерцового диапазона на одно и двухмерных нелинейных фотонных кристаллов

Выше мы уже рассматривали эффективную генерацию оптических волн на одноразмерных периодических структурах в кристаллах ниобата лития.

В последние годы были разработаны несколько способов формирования интегральных двумерных периодических структур. В качестве материала использовалось легирование сегнетоэлектрических кристаллов.

В первом способе формировались двумерные фотонные решетки, путем одновременной записи двух элементарных голографических решеток, волновые вектора которых расположены параллельно оси поляризации, а периоды различны: d₁ и n d₁, где n = 2, 3, 4….. Поэтому результирующий показатель преломления становится суперпозицией двух периодов решеток.

(9.1)

где φ₀ – представляет фазовый сдвиг двух решеток.

Помимо двумерных периодических решеток голографического типа были разработаны способы формирования двухмерных квази периодических структур индуцированных доменов посредством переполяризации поверхностных слоев ниобата лития с помощью приложенных электрических полей в двух кристаллографических направлениях. В этом случае показатель преломления сохраняется постоянным, но нелинейная восприимчивость второго порядка пространственно периодична. Подобные путем вначале были сформированы гексагональные двухразмерные структуры, а затем декагональные фотонные структуры.

Был разработан и чистолазерный (без приложения электрических полей) способ формирования одно и двухмерных периодических структур в ниобате лития. Посредством сфокусированного лазерного излучения от титан – сапфирового импульсного лазера на поверхности ниобата лития, содержащего ионы Nd³⁺, формировались впадины в виде полосы или точки (рис. 9.11).

а

б

с

Р

а

б

С

ис. 9.11. Картина полосовых (а), точечных (б) структур и одиночных впадин (в), полученная с помощью электронного микроскопа

Подобный метод ранее уже был использован при создании одно и двухмерных фотонных кристаллов в прозрачных полупроводниках. Сформированная структура с периодом 15 мкм образовала одномерную решетку, а точечные структуры с расстояниями между точками также в 15 мкм соответствовали двумерным структурам. Подобные двумерные структуры уже находят применение в активных (параметрические генераторы, детекторы) и пассивных (фильтры, устройства волноводной связи) и многих других приборах.

Наиболее убедительные доказательства преимуществ двумерных структур по сравнению с одномерными было получено при одновременной генерации на них красного, зеленого и голубого цветов излучения. Такие трехчастотные оптические генераторы необходимы для многих оптических устройств, поскольку большинство цветов оптические излучения, включая белый, могут быть получены комбинацией этих цветов на основе двумерной планарной структуры. В ниобате лития были получены трехцветные сигналы путем непосредственного удвоения частоты с более высокой эффективностью преобразования частот, чем при использовании нескольких одномерных структур [8].

Также в последние годы предложены и эффективно реализованы параметрические генераторы тера и петагерцовых частот, основные на нелинейных свойствах периодических доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах. При вхождении в такой интегральный элемент лазерного пучка за счет оптической нелинейности самой структуры генерируется электромагнитное излучение с длиной волны, кратной периоду доменной структуры. Так на индуцированной структуре в ниобате лития с периодом порядка 30 мкм устойчиво генерировались электромагнитные волны с частотой 1,37 ТГц. При этом накачка осуществлялась лазерным пучком, состоящим из последовательности фемтосекундных импульсов [9].