Распределенный брэгговский отражатель

Структура, используемая в волноводах

Моделирование с временным разрешением импульса, отражающегося от брэгговского зеркала.

Распределенный брэгговский отражатель ( DBR ) — это отражатель, используемый в волноводах , таких как оптические волокна . Это структура, образованная из нескольких слоев чередующихся материалов с различным показателем преломления , или путем периодического изменения некоторой характеристики (например, высоты) диэлектрического волновода, что приводит к периодическому изменению эффективного показателя преломления в волноводе. Каждая граница слоя вызывает частичное отражение и преломление оптической волны. Для волн, длина волны в вакууме которых близка к четырем оптическим толщинам слоев, взаимодействие между этими лучами порождает конструктивную интерференцию , и слои действуют как высококачественный отражатель. Диапазон длин волн, которые отражаются, называется фотонной зоной задержки . В пределах этого диапазона длин волн свет «запрещен» распространяться в структуре.

Отражательная способность

Расчетная отражательная способность схематической структуры DBR

Отражательная способность DBR , для интенсивности приблизительно определяется выражением ^[1] ${\displaystyle R}$

${\displaystyle R=\left[{\frac {n_{o}(n_{2})^{2N}-n_{s}(n_{1})^{2N}}{n_{o}(n_{2})^{2N}+n_{s}(n_{1})^{2N}}}\right]^{2},}$

где и — соответствующие показатели преломления исходной среды, двух чередующихся материалов и конечной среды (т. е. подложки или субстрата); и — число повторяющихся пар материалов с низким/высоким показателем преломления. Эта формула предполагает, что все повторяющиеся пары имеют толщину в четверть волны (то есть , где — показатель преломления слоя, — толщина слоя, — длина волны света). ${\displaystyle n_{o},\ n_{1},\ n_{2}}$ ${\displaystyle n_{s}\,}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle nd=\lambda /4}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \lambda }$

Частотную полосу фотонной стоп-зоны можно рассчитать по формуле ${\displaystyle \Delta f_{0}}$

${\displaystyle {\frac {\Delta f_{0}}{f_{0}}}={\frac {4}{\pi }}\arcsin \left({\frac {n_{2}-n_{1}}{n_{2}+n_{1}}}\right),}$

где — центральная частота полосы. Эта конфигурация дает наибольшее возможное отношение , которое может быть достигнуто при этих двух значениях показателя преломления. ^{[2] [3]} ${\displaystyle f_{o}}$ ${\displaystyle {\frac {\Delta f_{0}}{f_{0}}}}$

Увеличение числа пар в DBR увеличивает отражательную способность зеркала, а увеличение контраста показателя преломления между материалами в парах Брэгга увеличивает как отражательную способность, так и полосу пропускания. Обычным выбором материалов для стека является диоксид титана ( n ≈ 2,5) и кремний ( n ≈ 1,5). ^[4] Подстановка в формулу выше дает полосу пропускания около 200 нм для света 630 нм.

Распределенные брэгговские отражатели являются критически важными компонентами в вертикальных резонаторных поверхностно-излучающих лазерах и других типах узкополосных лазерных диодов, таких как лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR) . Они также используются для формирования резонатора полости (или оптической полости ) в волоконных лазерах и лазерах на свободных электронах .

Отражательная способность в режимах TE и TM

Карта полного отражения как функция угла падения и безразмерной частоты. Параметры систем: ε = (11,4, 1,0), период одного слоя d = 0,2 + 0,8 = 1, общее количество периодов 6. Левая половина представляет собой отражение TM с углом Брюстера, показанным белой пунктирной линией, правая половина представляет собой отражение TE.

В этом разделе обсуждается взаимодействие поперечно-электрического (TE) и поперечно-магнитного (TM) поляризованного света со структурой DBR на нескольких длинах волн и углах падения. Эта отражательная способность структуры DBR (описанной ниже) была рассчитана с использованием метода матрицы переноса (TMM), где только мода TE сильно отражается этим стеком, в то время как моды TM пропускаются. Это также показывает, что DBR действует как поляризатор .

Для TE и TM падения мы имеем спектры отражения стопки DBR, соответствующие 6-слойной стопке с диэлектрическим контрастом 11,5, между воздушным и диэлектрическим слоями. Толщина воздушного и диэлектрического слоев составляет 0,8 и 0,2 периода соответственно. Длина волны на рисунках ниже соответствует кратным периода ячейки.

Этот DBR также является простым примером 1D фотонного кристалла . Он имеет полную запрещенную зону TE, но только псевдозапрещенную зону TM.

Био-вдохновленные отражатели Брэгга

Пример изменения цвета в отражателе Брэгга при изменении влажности и сравнение с биологической структурой.

Био-вдохновленные брэгговские отражатели — это одномерные фотонные кристаллы, вдохновленные природой. Отражение света от такой наноструктурированной материи приводит к структурной окраске . При разработке из мезопористых оксидов металлов ^{[5] [6] [7]} или полимеров ^[8] эти устройства могут использоваться в качестве недорогих датчиков паров/растворителей. ^[9] Например, цвет этих пористых многослойных структур изменится, когда вещество, заполняющее поры, будет заменено другим, например, воздух будет заменен водой.

Смотрите также

• Закон Брэгга  – Физический закон, касающийся углов рассеяния излучения через среду.
• Дифракция Брэгга  – Физический закон, касающийся углов рассеяния излучения через среду.Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
• Дифракция  – явление движения волн
  • Дифракционная решетка  – оптический компонент, который разделяет свет на несколько лучей.
• Диэлектрическое зеркало  – Зеркало из диэлектрических материалов
• Интерферометр Фабри–Перо  – Оптический прибор с параллельными зеркалами
• Волоконная брэгговская решетка  – тип распределенного брэгговского отражателя, построенного на коротком отрезке оптического волокна.
• Фотонно-кристаллическое волокно  – класс оптических волокон, основанный на свойствах фотонных кристаллов.
• Вертикально-резонаторный поверхностно-излучающий лазер  – Тип полупроводникового лазерного диода
• Фотонно-кристаллический датчик

Ссылки

1. Шеппард, CJR (1995). «Приближенный расчет коэффициента отражения от слоистой среды». Чистая и прикладная оптика: Журнал Европейского оптического общества, часть A. 4 ( 5): 665. Bibcode : 1995PApOp...4..665S. doi : 10.1088/0963-9659/4/5/018.
2. Орфанидис, Софокл Дж. (2016). Электромагнитные волны и антенны. Кафедра ECE, Ратгерский университет.
3. Остинг, Б. (2012). «Структура Брэгга и первая спектральная щель». Applied Mathematics Letters . 25 (11): 1926–1930. doi : 10.1016/j.aml.2012.03.002 .
4. Пашотта, Рюдигер. «Зеркала Брэгга». Энциклопедия лазерной физики и техники . RP Photonics . Получено 1 мая 2009 г.
5. Бертуччи, Симона; Мегад, Хеба; Додеро, Андреа; Фиорито, Серджио; Ди Стасио, Франческо; Патрини, Маддалена; Коморетто, Давиде; Лова, Паола (4 мая 2022 г.). «Мягкие золь-гель условия и высокий диэлектрический контраст: простой процесс получения крупномасштабных гибридных фотонных кристаллов для зондирования и фотокатализа». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 14 (17): 19806–19817. дои : 10.1021/acsami.1c23653. ISSN  1944-8244. ПМК 9073830 . ПМИД  35443778. 
6. Гулдин, Стефан; Колле, Матиас; Стефик, Морган; Лэнгфорд, Ричард; Эдер, Доминик; Визнер, Ульрих; Штайнер, Ульрих (6 июля 2011 г.). «Настраиваемые мезопористые брэгговские отражатели на основе самосборки блок-сополимеров» (PDF) . Advanced Materials . 23 (32): 3664–3668. doi :10.1002/adma.201100640. ISSN  0935-9648. PMID  21732558. S2CID  10065931.
7. Ghazzal, Mohamed N.; Deparis, Olivier; De Coninck, Joel; Gaigneaux, Eric M. (2013). «Индивидуально разработанный показатель преломления неорганических мезопористых смешанных оксидных стопок Брэгга с биоинспирированными гигрохромными оптическими свойствами». Journal of Materials Chemistry C. 1 ( 39): 6202. doi :10.1039/c3tc31178c. ISSN  2050-7526.
8. Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Боарино, Лука; Комите, Антонио; Лаус, Мишель; Патрини, Маддалена; Марабелли, Франко; Сочи, Чезаре; Коморетто, Давиде (10 марта 2015 г.). «Полимерные распределенные брэгговские отражатели для измерения пара». АСУ Фотоника . 2 (4): 537–543. дои : 10.1021/ph500461w. hdl : 11696/32604 . ISSN  2330-4022.
9. Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь; Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь (28 марта 2013 г.). «Фотонные кристаллические структуры с настраиваемым цветом структуры как колориметрические датчики». Датчики . 13 (4): 4192–4213. doi : 10.3390/s130404192 . PMC 3673079. PMID  23539027 .