Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие волноводной сптоэлектроники требует решения задачи совершенствования и развития элементной базы интегральной оптики (ИО) , а также разработки новых элементов и устройств. В самом начале развития ИО был проявлен большой интерес к использовании в качестве элементной базы оптических стекол. Стекла обладают рядом важных преимуществ, что делает возможным их широкое практическое использование: малые практические потери, низкая себестоимость, широкий спектральный диапазон, возможность эффективной стыковки с волоконно-оптическими световодами.
В большинстве работ посвященных созданию полноводных элементов в стекле, используются промышленные оптические стекла (отечественные К8,СВЕ и зарубежное ВК7), позволяющие создавать волноводы с хорошими оптическими характеристиками и высокой степенью технологичности, но не обладающие активными и нелинейными свойствами. Это привело к тому, что волноводные элементы ъ стеклах оказывались недостаточно конкурентоспособными с точки зрения использования их в устройствах нелинейной волноводной оптики. Таким образом для дальнейшего развития интегральной оптикиактуальным является создание волноводных элементов на основе специальных оксидных стекол, разработка- методов исследование таких элементов и создания на их основе практических устройств (элементы ввода-вывода, датчики и т.д.). Наибольший интерес представляет создание оптических волноводов и дифракционных решеток в стекле методом ионного обмена.
Обнаруженная фотоиндуцированная генерация второй гармоники (ФГВГ) в стекле БС7 открыла новые перспективы для возможности создания эффективных нелинейно-оптических волноводных элементов. Однако для решения этой задачи необходим целенаправленный поиск и синтез стекол обеспечивающих максимальную эффективность преобразования излучения во ВГ, а также разработка технологии изготовления ионообменных волноводов в таких стеклах. Кроме того, до сих пор не решены задачи расчета профиля показателя преломления
. -4-
(ППИ) градиентных волноводов и создания оптических волноводов с минимальным двулучепреломлением.
Цель настоящей работы заключается в создании и исследовании волноводных периодических структур на основе оксидных стекол, а также оптимизации состава стекол для успешного формирования оптических волноводов и наблюдения эффективной ФГВГ в них.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые показана возможность создания волноводных структур методом ионного обмена в свинцово-силикатных стеклах. Исследованы механизмы формирования оптических волноводов, влияние добавок титана на оптические свойства ионообменных волноводов.
-
Исследовано влияние добавок свинца в модельное щелочно силикатное стекло в количестве от 1 до 15 мол%. Обнаружено немонотонное изменение прироста показателя преломления оптических волноводов от содержания свинца в стекле.
-
Обнаружена фотоиндуцированная генерация второй гармоники в свинцово-силикатных стеклах с содержанием свинца от 10 до 60 мол%. Установлено, что максимальная эффективность преобразования излучения во вторую гармонику достигается в стеклах с содержанием свинца около 20 мол%.
-
Изучено влияние добавок титана и церия в свинцово-силикатное стекло на процесс записи периодических структур нелинейной восприимчивости второго порядка. Установлено, что максимальная эффективность преобразования излучения во вторую гармонику наблюдается в стекле с содержанием титана около 10 мол% и содержанием церия 1.7 мол%, при оптимальном содержании свинца в стекле.
-
Предложен метод измерения показателя преломления жидких сред при помощи волноводной дифракционной решетки. Метод основан на изменении эффективности ввода излучения в волновод при нанесении исследуемой жидкости на решетку ввода.
6. Зарегистрирована деполяризация лазерного излучения при его
распространении в ионообменных волноводах.
7. Предложена методика восстановления профиля показателя
преломления градиентных волноводов, основанная на
усовершенствовании ВКБ метода расчета с помощью кубических
сплайнов.
Полученные результаты позволяют сформулировать следующие защищаемые положения:
і. В планарном оптическом волноводе, полученным ионным обменом в стекле наблюдается эффект поляризационного преобразования мед.
-
Использование гладких кубических сплайнов для ВКБ-метода расчета позволяет восстановить профиль показателя преломления градиентных оптических волноводов .
-
Метод измерения ПП жидких сред, основанный на изменении эффективности решеточного ввода электромагнитного .излучения в оптический волновод.
-
Возможность записи нелинейных периодических структур второго порядка и наблюдения эффекта генерации второй гармоники в свикцево-силикатных стеклах определяется содержанием в них свинца. Максимальная величина эффекта наблюдается при содержании свинца около 20 мол%.
-
Изготовление ионообменных волноводов оптического качества (с потерями не более 0.5 дБ/см) при обработке свинцово-силикатных стекол с содержанием свинца более 15 мол% в расплаве КИОз, возможно лишь при добавке в стекло титана в количестве от 3 до 9 мол%.
Практическая ценность работы определяется следующими результатами:
1. Предложена и осуществлена на практике методика формирования
оптических волноводов с минимальным двулучепреломлением в распла
ве тройной смеси (в вес.%): КЖ)з - 70.5, NaNOj - 29.22, AgNO., -
0.28. Получены волноводы с величиной двулучепреломления не
превышающей 0.0001 и потерями менее 0.1 дБ/см.
2. Методом ионного обмена созданы оптические волноводы для
ближнего ИК-диапазона спектра (до 4.5 мкм) в промышленном стекле
К515 и изучены их свойства.
3. Предложена и реализована методика расчета модовых постоянных
оптических волноводов в ИК-диапазоне по данным измерений модовых
постоянных в видимом диапазоне спектра. Расчетные данные и
результаты эксперимента для длины волны 3.39 мкм совпали с
точностью 0.0002.
4. Показана возможность создания волноводов с минимальным
двулучепрелоылонием в промышленном свинцово-силикатном стекле ХС24
путем Rb* О1 К* обмена.
5. Оптимизирован состав модельного свинцово - силикатного стекла
позволяющий повысить эффективность преобразования излучения во
вторую гармонику с 10~6 до 10~4.
6. Разработана схема и создан лабораторный макет ИО-датчика
показателя преломления жидких сред.
7. Предложена схема интегрально-оптического датчика поляризации на
основе градиентного волновода с модовым вырождением.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990), I Всесоюзной конференции "Проблемы измерительной техники в волоконной оптике" (Нижний Новгород, 1991), 1 Всесоюзной конференции по интегральной оптико (Ужгород, 1991), II and III International Soviet Fiber Optics' Conference ( St.Petersburg, 1992,1993), International Conference on Holography, Correlation Optics and Recording Materials (Chernovtsy, Ukraine, 1993), VII и VIII Международных конференциях "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург, 1993, 1995),' Second Conference of the European Society .of. Glass (Venice, Italy, 1993), 4th European East-West Conference . Exhibition on Materials and Process (St. Petersburg, 1993), International Conference on the Design, Simulation and Fabrication of Optoelectronic Devices and Circuits (Los Angeles, CA, 1994), International Conference on the Nonlinear Optical Materials for Switching and Limiting (Orlando, FL, 1994), Международной конференции "Прикладная оптика" (Санкт-Петербург, 1994), International Conference on the Functional Photonics Integrated Circuits (San Jose, CA, 1995), XV Международной конференции по когерентной и
нелинейноіі оптике (Санкт-Петербург, 1995), а также на семинарах
лаборатории интегральной оптики ГИПО, отделов волоконной оптики и
и отдела колебаний ИОФ РАН и лаборатории оптического стекла НИТИОМ
ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова".
Публикации.Основные положения и результаты опубликованы в печатных
работах, перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа
изложена на 157 страницах, включая 19 таблиц, 18 рисунков и список
литературы содержащий 139 наименований.
