Введение к работе
Актуальность темы
В современной волоконной оптике широко исследуются и применяются фотонно-кристаллические световоды, позволяющие благодаря отличному от полного внутреннего отражения механизму локализации света в сердцевине, в частности, снизить фундаментальные ограничения для традиционных кварцевых световодов Одним их таких альтернативных световодов является Брэгговский световод Он представляет собой диэлектрический коаксиальный световод многослойная оболочка которого является одномерным фотонным кристаллом Свет в таком световоде распространяется в основном в полой сердцевине или сердцевине из материала с меньшим, чем у оболочки, показателем преломления Это оказывается возможным, поскольку оболочка служит многослойным диэлектрическим зеркалом, работающим по принципу брэгговских резонансов Благодаря этому, ряд свойств Брэгтовского световода значительно отличается от стандартных двухслойных световодов, что делает их перспективными во многих областях науки и техники, где обычные волоконные световоды имеют существенные ограничения или не применимы вовсе. К потенциальным преимуществам Брэгговских волоконных световодов с полой сердцевиной относятся низкие оптические потери, высокий порог возникновения нелинейных явлений, а также одномодовость в широком спектральном диапазоне и возможность возбуждения поляризационно-невырожденных мод
На сегодняшний день технология изготовления волоконных световодов достигла такого уровня развития, что появилась возможность создавать Брэгговские волоконные световоды на практике В связи с этим необходимо прояснить картину распространения света в многослойных цилиндрических диэлектрических структурах
Несмотря на то, что методы анализа свойств многослойных цилиндрических световодов были предложены достаточно давно и на сегодняшний день имеется большое количество теоретических работ посвященных данной проблеме, имеется ряд вопросов, требующих разъяснения для более полного понимания поставленной задачи Существует несколько теоретических подходов к описанию свойств Брэгговских световодов, но ни в одном из них в полной мере не учитывается тот факт, что в цилиндрической геометрии поле описывается цилиндрическими функциями с меняющимся пространственным периодом так, что толщины слоев оболочки Брэгтовского световода зависят от радиальной координаты и только при больших аргументах функций асимптотически становятся одинаковыми в каждом из двух сортов слоев структуры По аналогии с плоскопараллельным случаем, авторами исследуются структуры с эквидистантным распределением границ слоев Между тем, учет этой
особенности, накладываемой цилиндрической симметрией, делает решение задачи гораздо более сложным, чем в плоскопараллельном случае Остается нерешенной до конца задача оптимизации световедущей структуры Брэгговского световода на максимальное отражение света от многослойной оболочки Решение этой задачи позволит прояснить механизм распространения света в многослойных диэлектрических структурах и на практике создавать структуры с характеристиками, существенно превышающими существующие на сегодняшний день образцы, позволит по-новому взглянуть на возможность применения Брэгговских волоконных световодов во многих практических приложениях. Актуальность и значимость данной проблемы в новом направлении оптики - фотонные кристаллы, определили выбор темы и постановку целей исследования
Цели работы
-
Моделирование распространения низших поперечных ТЕоі, TM0i и гибридной НЕ и мод в оптимально подобранной структуре Брэгговского световода
-
Создание теоретического метода оптимизации структуры Брэгговского световода на максимальное отражение света от многослойной оболочки для заданной моды
-
Расчет Брэгговского волоконного световода с полой сердцевиной, обладающего оптическими потерями, сравнимыми с ( телекоммуникационными световодами.
Новизна результатов
1. Предложен метод решения обратной электродинамической задачи о распространении света в многослойном диэлектрическом полом световоде
-
Впервые на основе генетического алгоритма разработан численный метод, позволяющий быстро и эффективно рассчитывать структуру Брэгговского световода, обладающую для заданной моды наименьшими потерями
-
Впервые проведена оптимизация структуры Брэгговского световода на максимальное отражение света от многослойной оболочки и продемонстрирована возможность создания световода с полой сердцевиной, структура которого оптимизирована на локализацию ТЕоі моды и обладает оптическими потерями меньшими, чем у существующих на сегодняшний день волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления.
Теоретическая ценность работы
В работе изложен метод решения обратной электродинамической задачи о распространении света в многослойном диэлектрическом полом световоде с учетом особенностей, обусловленных цилиндрической симметрией Для
низших линейно поляризованных TE0h TM0i и двукратно вырожденной гибридной НЕц моды решена задача оптимизации Брэгговского волоконного световода на максимальное отражение света от многослойной оболочки
Практическая ценность работы
На основании полученных в работе результатов, используя в качестве начальных параметров лишь длину волны и значения показателей преломления слоев оболочки, установлена возможность практического создания Брэгговских волоконных световодов с потерями существенно ниже, чем у традиционных световодов
Защищаемые положения
1 Постановка обратной электродинамической задачи для Брэгговского волоконного световода
-
Численный метод оптимизации структуры Брэгговского световода на максимальное отражение света от многослойной оболочки для заданной моды
-
Результаты процедуры оптимизации структуры Брэгговского световода на максимальное отражение света от многослойной оболочки
4 Полученные зависимости величин потерь и дисперсионных свойств для низших поперечных TEoi, TMoi и гибридных НЕ и мод от числа слоев оболочки, радиуса сердцевины и показателя преломления материала сердцевины для оптимизированного Брэгговского световода
Апробация работы и публикации
Положенные в основу диссертационной работы поиск и применение численных методов и результаты исследований докладывались на научных сессиях МИФИ в секции «Фотоника» (Москва, 2004, 2005), на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2005» в секции «Физика» (Москва, 2005), на Международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2007» в секции «Математическое моделирование, численные методы и программные разработки в исследованиях естественно-научных процессов» (Мурманск, 2007), на Международной конференции «Актуальные проблемы науки и образования» в секции «Физико-математические и технические науки» (Куба, 2007), на Всероссийской конференции «Двадцать шестая школа по когерентной оптике и голографии» в секции «Волоконная оптика и ее голографические аспекты» ИВВАИУ (ВИ) (Иркутск, 2007), обсуждались на научных семинарах НЦВО РАН (Москва) и семинаре кафедры Авиационного оборудования и оптико-электронных средств воздушной разведки ИВВАИУ (ВИ) (Иркутск), опубликованы в журнале «Инженерная Физика» (№4, 2005) в разделе «Научное приборостроение», научно-техническом журнале «Фотон Экспресс» (6(46), 2005) в разделе
«Измерения и методы исследований», в журнале «Письма в ЖЭТФ» (86(4), 2007) По материалам диссертации опубликовано 8 работ
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа содержит 87 страниц текста, 2 таблицы, 33 рисунка
