Введение к работе
Актуальность Т5?щ. Дивдектрячесз-лй волновод являзтся основзеі элементом широкого класса кнтзгрзльпо-оптачвока: уотроЗств — модуляторов, интерферометров. сп8ктроаз"лззаторов, дафикторов, датчиков и т.л. В этой связя удаляется dojrbEoa шэяпиа еослэдовзеип ояектвсмагштнш: свойств ддэлактщческкх пяй*щшх волксводрв.
В последнее ввеня возрос интерес к яссдздовзинэ ШЕЗотровппх волноводов, собственна типы мод которчх являются гпбрэднэя. Внимание к таки» водзеводвм обусловлено вовпозкостья рзалнвацш! преобразования напвавляемпд мод в битокзезгэ, сягщзсшемз мод разных полятязацяй и мод разных частот, а тзісз воакоязосгьв
ВЛИЯНИЯ Н8 ЗЛаКТрОДЕПгІЛЧОСКІГЗ ГйрЗКЇвГЛСГДЇЯ МОД С nrj'OJJbO
электро- я акусгоогггп^эшзп: сФХэктсз.
Расчет тагах волноводов глядстэзляот достаточно слоснуа вок-
, ТОРНУЯ ВЗЯ2ЧУ. Ев СТРОГОЭ рЗШПТЗ ВОЗКСчЗО ТОЛЬКО для жогсолоЗ-
пнх волггсводоз. которнэ состоят т йосхакыйх одзорохннх слооэ. Пра втсм используется мзтод чйстрлнже областей.
Одтаї кз способов язготовлзеія едябродинх елгзотр'лпшх лодзе-водов является ввсе?.очеетотноэ ос?.2К«пв суорйзх иатетпвлеп па якэлэйтряческяэ тодлог.^. Характерной ссобзнностьэ дакзого способа изготовления волиезодоа является то. что, несмотря аа еополъ-зевэняе для млгэнек и подлогея изотропных ;*2Тврлалов, ПОЛТЧйСИЦО волноводкыа структуры являются внзпзотсопакїл. Этот Фа:<т обясяязт-ся тем, что в процессе осайдеілся BasrancctM вдутрзвтаэ нзпрягх-ЕйЯ.
БЫЗЫВеШЯе аНИБОТрСГЕГО ОПТИЧЄГСТС СВОЙСТВ. 2ЄМЄЧЄЯО теки, что
измэнение езвгс/яоЯ орп-зтїтйіии -оаспудяємоЗ мпгани н ігодлогкп приводит к пзчєношїй злсктродяне'Е'лесі'лх тгрзктзггютвк нвправляемше еолч. Это даот возможность пзгставдзззть «нпзотропниа волновода о іітогнозігоуемьш свойствами. В стой связи вістуальной является задача определения компонент тензора диэлектрической прсняцзоассїп волноводной пленхя. Данная задача сформулирована а работа как обратная задача восстановления параметров аішотрсаното волновода по спектру постоянных распространения мод.
Наряду с однородпимя волноводаш соврененнш технология, основапше на процессах тврмо - и элвктродШфуавз. позволяют получать волноводы с плавни» распределвнжм диэлектрической проницаемости в ггсшговэвхноетяой области кристалла. Лля расчета та-
ких волноводов в настоящее время разработана численные алгоритмы. Они применимы для волноводов с любым профілем диэлектрической проницаемости и любой степеньв анизотропии, однако они достаточно трудоемки и предполагает использование быстродеиствуюцих компьютеров о большим объемом пашіти. Поэтому на практике, как правило, эти методы используются для получения некоторых реперних данных, служащих для контроля точности относительно простых щмбликеняых методов.
Известные пряблинзише методы анализа произвольных анизотропных волноводов основаны на допущениях либо слабой неоднородности. либо слабой анизотропии волноведущэй среда. Однако данные допущения не всегда справедливы. Б этой связи, актуальной является разработка более оффоктквнж приближенных методов расчета произвольных пленарных анизотропных волноводов. В данной работе сформулирован вариационный матод расчета, позволяющий свести векторную задачу о распространении волн в произвольном пленарном анизотропном волновода к рэшенив скалярюго уравнения второго порядка, для решения которого применимы методы, развитые в теории изотропных волноводов.
В настоящее время существует потребность в надежных методах контроля параметров изготавливаемых волноводов. Одним из основных методов определения таких параметров является метод, основанный на измерении постоянных распространения мод с поыоаьв признанного устройства возбукдения. Определение постоянных распространения дашшм методом основано на геометрооптическоы анализа пространственного распределения интенсивности излучения, отраженного от призм связи. При такал подходе образование темных "и - линий" в отраженном излучении, возникающих при резонансном возбуждении волноводе, интерпретируется как захват волноводом лучей, при котором они "выпадают" нз отраженной картины. По угловому положений теиной й - линии определяют постоянные распространения код. Однако данная интерпретация имеет ряд внутренных противоречии, связанных с нарушением закона сохранения энергии и соотношения неопределенностей, "связывающего пространственную ширшу іа - линии о шириной ее углового спектра. Кроме того, использование геометрооптического подхода в ряде случаев приводит к известному парадоксу, когда измеряемые постоянные распространения код близкие к отсечке оказываются
меньше волнового числа подложки. Отметим также, что в ряде экспериментов отраженное от призмы связи излучение имеет сложную мно-гопичковую структуру. Эта структура не объясняется при стандартном подходе, а ее наличие приводит к трудностям в идентификации т - линий. Наконец, в геометрооптическом подхода определяются только действительные части постоянных распространения мод и не учитывается возмущающее влияние призмы на волновод, в то время как качеотвекно понятно, что структура отраженной интенсивности несет более полную информацию о параметрах моды, в частности, о ое затухании (мнимой части постошгаой распространэния) я о степени связи призмы с волноводом.
Всвязи с перечисленными особенностями в ряде работ былн предприняты попытки электродинамического расчета картины интенсивности излучения, отраЕбнного от призменного устройства возбуждения. При этом, в честности, было предсказано существование пространственных траекторий и - линяй, необъяснимых с точки зрзяия геометрической оптики. Однако распределения интенсивности излучения, отраженного от призменного устройства возбуждения, были получены для точек пространства, расположенных внутри прязш яа расстоянии порядка нескольких длин воля от ее основания. Поэтому эти результаты имеют ограниченный характер, а частности, с течки зрения кх практического использования.
В этой связи представляет интерес рекекие задачи об влектроди-намическом описании пространственной структуры интенсивности излучения, отраженного от призменного устройства возбуждения в более общей постановке, т.е. при рассмотрении возбуждения произвольной плоскослойстой среды с неоднородный распределением комплексной диэлектрической проницаемости при любых зонах неблюдеюм и любой степени связи призмы со средой, а также обратно* задачи по определению комплексных постоянных распространения код по параметрам пучка, отраженного от призменного устройства возбуждения волноводов.
Целью работы является:
- исследования электродинамических характеристик пленарных одно
родных анизотропных волноводов и разработка приближенных методов
расчета произвольных пленарных анизотропных волноводов;
- электродинамический расчет пространственного распределения
интенсивности светового пучка, отраженного от призменного устрой-
ства возбуждения пяашршх ьаяювв&вз с шадиоровза? распределением кошлексной диэлектрической проницаемости, и разработка на втой основа методов определения комплексных постоянных распространения мод оптических волноводов.
В соответствии с поставленной целью в работе получены следующие новие научные результати:
найдены дисперсионные уравнения для несимметричных однородных анизотропных волноводов для случаев пленарной и поперечной анизотропии и рассчитеш дисперсионные кривые для направляемых гибридных мод;
методом контурного шітегріфоваккя получены строгие решения дисперсионных уравнений для вытекалзих мод;
получены выражения для средних значений параметров зллипса поляризации направляемых гкбрщшх мод;
- разработан алгоритм определенля параметров анизотропии и
тоядянн волноводов, полученных высокочастотным напылением аморф
ных материалов на диэлектрические подлоги!;
развит приближенный вариационный мотод расчета произвольных пленарных анизотропных волноводов;
построен алгоритм расчета пространственного распределения поля сватового пучка. отраженного от призменного устройства возбувда-ния планерных волноводов с неоднородный распределением кошшзке-ной диэлектрической проницаемости, применимый при любой степени связи призмы с волноводом и люоых расстояниях от призмы до точки наблюдения;
в приближении слабей связи примы с волноводом получены аналитические выражения для коэффициенте отражения и для распределения интенсивности отраженного пучка в дальней от призмы зоне, позволявшие связать угловые положения экстремальных точек распределения интенсивности со значениями комплексных постоянных распространения мод;
предложен метод определения комплексных постоянных распространения мод. основанный на измерении параметров пространственного распределения интенсивности отраженного излучения в дальней зоне:
- проведен анализ распределения интенсивности фурье-образа
пучка, отраженного от призменного устройства возбуждения волново
дов, и показано, что формирование темной т - линии в распределе
нии интенсивности фурье-образа отраженного пучка принципиально
связано с наличием потерь в волновода;
- предложен метод одновременного определения действительной и мнимой частей постоянных распространения мод волноводов, обладавших потерями, но параметрам распродэленяя интенсивности фурье -образа пучка, отрэяоппого от приименного устройства возбуадзгоя волноводов.
На защиту выносятся:
-
Результаты анализа электродинамических характеристик направляемых и вытекающих мод однородных анизотропных волноводов я вариационный метод расчета неоднородных анизотропных волноводов.
-
Метод определения парамэтроз однородных анизотропных волкоео-дов по спектрам постоянных распространения иод.
-
Результаты еналкээ пространственного распрадэлзния кзтенспв-ности светового пучка, отраженного от признанного устройства возбуждения пленарных волноводе? с яводдоро.'пшм распределением коютлвксной диэлектрической проницаемости.
-
Методы определения кої.сіЛ8іссгшх постояктщх топростракегаея «од планаряых оптичеекзх волноводов по парсмотрел .рзспрздэлэпш! интенсивности пучка, отраженного с? признанного устройства вообуз-дения волноводов.
Практическая ценность. Результаты иседэдовгаяя паяярззБДКя гибридных мод могут бать кепользокки jipa созд^ся жттта устройств на основе акжютропкнх болнозодов.
Метод определения параметров анизотропии я толяпкк тоякояле-ночных еолноводоз по спектрам постошшых распространения мод может быть применен для диагностика изготазлеваемых анязотропгых волноводов.
Метода определения комплексных постояшчх распространения мод оптических волноводов яо паракетрам распределения їжтєнспенссгя пучка, отраженного от призменного устройства возбуждения мод, могут быть применены при прецезионных ягмеренклх порачотрез иод.
Апробация работы. Результаты работ докладывались на III Всесоюзной конференции "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах" Сг.Тбилиси. 19S8 г.), яя VII симпозиуме "Оптические и спектральные свойства стекол" Ґг.Ленинград, 1989 г.). из 1 Всесоюзной конференции по интегральной оптике (г.Укгород, 1991 г.), па белоруско-лятовскш семинара "Лазери и нелинейная оптика" (г.Могилев, 19S3 г.).
?
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в пяти статьях, одном препринте, трех тезисах докладов, защищены двумя авторскими свидетельствами.
Личный вклад автора. Все расчеты и численные исследования в работе выполнены автором самостоятельно. Соавторам совместных работ принадлежат постановка задач, обсуждение полученных результатов и экспериментальная часть исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух разделов, заключения и списка цитируемой литературы включающего 96 наименований. Работа содержит 22 рисунка, 4 таблицы и 138 страниц ыанзшописного текста.
