Введение к работе
Актуальность темы.
Изучение закономерностей распространения оптического излучения в фотонных кристаллах является объектом интенсивных исследований в течение последних двадцати лет. Такой повышенный интерес определяется богатым потенциалом фотонных структур в управлении светом и возможностью их применения в качестве базовых компонентов в оптических системах связи и устройствах оптической обработки информации [1].
Фотонный кристалл представляет собой материал, в котором пространственная модуляция показателя преломления осуществлена с периодом, сравнимым с длиной волны распространяющегося в нём оптического излучения. Одним из примеров реализации подобной структуры является периодическая система связанных оптических канальных волноводов. Методика изготовления таких волноводных структур хорошо отработана в фоторефрактивных кристаллах ниобата лития (ЫМЮз) [2]. Данный материал проявляет нелинейно-оптические свойства при мощностях света в единицы микроватт, и обладает сильно выраженным фотовольтаическим эффектом, что позволяет получить оптически индуцированное изменение показателя преломления без приложения внешнего электрического поля. Это даёт возможность исследовать характеристики линейного и нелинейного распространения света в волноводных структурах, сформированных в подложке ЫМЮз. При этом особый интерес представляют волноводные структуры со сложной топологией, так как такие оптические структуры проявляют новые уникальные явления при распространении в них света и предлагают новые возможности в управлении оптическим излучением [3, 4]. Помимо применения волноводных структур для пространственного преобразования световых полей в приборах и устройствах, они также могут использоваться для исследования оптических аналогов эффектов наблюдаемых
в физике твердого тела, атомной и квантовой физике, в силу схожести описывающих их математических выражений [5].
Таким образом, изучение закономерностей распространения оптического излучения в волноводных структурах со сложной топологией является, несомненно, актуальным как с точки зрения получения фундаментальных знаний об особенностях взаимодействия оптического излучения с веществом, имеющим пространственно-неоднородное распределение физических параметров, так и в плане практического использования выявленных закономерностей при создании оптических приборов и устройств.
Цель работы состояла в выявлении закономерностей распространения света в одномерных периодических волноводных структурах со сложной топологией, сформированных в кристаллах ниобата лития, а именно:
-
в одномерной периодической волноводной структуре со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении;
-
вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур с разными параметрами;
-
в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
отработка методики формирования периодических волноводных структур со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении путём последовательного формирования оптических линейных неоднородностей с помощью сфокусированного светового пучка;
исследование влияния глубины оптической модуляции показателя преломления стационарной волноводной структуры на распространение в ней света;
исследование линейных и нелинейных эффектов, наблюдаемых при распространении оптического излучения вблизи общей границы двух различных одномерных периодических волноводных структур;
исследование линейных и нелинейных эффектов, наблюдаемых при распространении света в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами.
Методы исследований.
Для решения поставленных задач в работе использовались следующие экспериментальные методы:
для формирования периодической волноводной структуры со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении применялся метод последовательного формирования оптических линейных неоднородностей на поверхности образца с помощью сфокусированного пучка света;
при исследовании линейных и нелинейных эффектов, связанных с распространением световых пучков в волноводных структурах, применялся метод торцевого ввода оптического излучения и метод регистрации распределения интенсивности света на выходной плоскости образца с помощью анализатора лазерных пучков.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) Реконфигурируемая модификация профиля показателя преломления в
поперечном направлении стационарной волноводной структуры,
сформированной диффузией титана в фоторефрактивном кристалле
LiNb>03, реализуема контролируемым образом, путём
последовательного изменения профиля показателя преломления
отдельных волноводных элементов (на величину не более An~10") за счёт перемещения с постоянной скоростью вдоль волноводных каналов сфокусированного на поверхности образца пучка света.
-
При линейном режиме распространения света с длиной волны Х=532 нм в одномерной периодической волноводной структуре (сформированной диффузией титана в кристаллической подложке LiNb03:Cu) с амплитудой изменения показателя преломления An~10" , периодом Л=7.6 мкм и длиной L=17.5 мм наблюдается поперечная локализация света в случае, когда последовательная оптическая модуляция профиля показателя преломления в поперечном направлении осуществляется с помощью сфокусированного лазерного пучка случайным образом: по амплитуде - в диапазоне от Ап=0 до Ап~3.5-10~4 и по положению - в интервале от 7 мкм до 21 мкм.
-
При распространении света с длиной волны Х=532 нм вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур (сформированных диффузией титана в кристаллической подложке LiNb03) с шириной волноводного канала 5 мкм и расстоянием между каналами 4 мкм для одной и 3 мкм для другой волноводной структуры наблюдаются следующие особенности:
а) в линейном режиме распространения света - направляемые
"чередующиеся" и "не чередующиеся" граничные моды,
локализованные вблизи общей границы, для расстояний между
волноводными структурами от d=2 мкм до d=2.5 мкм;
б) в нелинейном режиме распространения света - резкое увеличение
пороговой мощности света, необходимой для формирования
щелевого солитона вблизи общей границы, при уменьшении
расстояния между волноводными структурами от d=2.75 мкм до
d=2 мкм.
4) В одномерной волноводной структуре (сформированной диффузией
титана в кристаллической подложке LiNb03) с периодическим
изменением расстояния между каналами при распространении
оптического излучения мощностью в единицы микроватт (в одном
волноводном канале) и длиной волны Х=532 нм формируются:
а) светлые щелевые солитоны при синфазном и противофазном
возбуждении каналов волноводной ячейки (в волноводной
структуре с шириной канала W=3.5 мкм, расстоянием между
каналами волноводной ячейки di=3 мкм и расстоянием между
соседними волноводными ячейками d2=4 мкм);
б) темный дискретный солитон при синфазном возбуждении
волноводной структуры (с W=4 мкм, di=2.5 мкм и d2=4.5 мкм)
широким световым пучком с изменением знака поля на обратный в
центре волноводной ячейки;
в) поверхностные солитоны на границе волноводной структуры и
подложки при синфазном и противофазном возбуждении каналов
крайней волноводной ячейки (в волноводной структуре с
W=3.5 мкм, di=3 мкм и d2=4 мкм).
Достоверность научных положений и других результатов
диссертационной работы основывается на применении физически обоснованных экспериментальных методик и современного оборудования, воспроизводимости экспериментальных результатов и качественном согласии полученных экспериментальных данных с результатами численного моделирования [1*-4*].
Достоверность первого защищаемого положения подтверждается подобием получаемых волноводных структур, сформированных при одинаковых условиях, о чём свидетельствует идентичность наблюдаемых на выходной плоскости образца распределений интенсивности света при оптическом зондировании модулированных волноводных структур. При этом модуляция профиля показателя преломления волноводных элементов осуществлялась с допущением, что отклонение расстояния (как в начальный момент, так и в процессе перемещения вдоль волноводной структуры) между центром фокусируемого пучка и центром волноводного канала составляло не более 5% от ширины канала.
Достоверность второго защищаемого положения подтверждается качественным совпадением полученных экспериментальных результатов с результатами исследования, независимо выполненного другой научной группой [6].
Достоверность третьего защищаемого положения подтверждается отсутствием противоречий результатам других авторов [7-9], и отклонением результатов повторных измерений (3-5 раз) пороговой мощности не более 7%.
Достоверность четвёртого защищаемого положения подтверждается отсутствием противоречий с теоретическими исследованиями, выполненными другими авторами [10-12].
Новизна защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:
предложен метод модуляции профиля показателя преломления стационарной периодической волноводной структуры, выполненной на основе кристаллической подложки 1лМЮз:Си, с помощью перемещения сфокусированного пучка света по поверхности образца;
показана принципиальная возможность формирования направленного оптического ответвителя путём модуляции показателя преломления (сфокусированным пучком света) двух соседних волноводных каналов периодической волноводной структуры, изготовленной в подложке LiNb03:Cu;
в одномерной периодической волноводной структуре со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении, сформированной путём последовательной модификации профиля показателя преломления отдельных волноводных элементов стационарной периодической волноводной структуры, выполненной на основе кристалла LiNb03:Cu, экспериментально обнаружено явление поперечной локализации света при линейном распространении оптического излучения;
экспериментально обнаружены направляемые "чередующиеся" и "не чередующиеся" граничные моды вблизи общей границы двух волноводных структур с различными параметрами;
получены зависимости пороговой мощности света, необходимой для формирования щелевого солитона вблизи общей границы двух волноводных структур, сформированных в среде с дефокусирующим типом нелинейности, для расстояния между волноводными структурами от d=2 мкм до d=4.5 мкм;
выявлены условия формирования нелинейных локализованных состояний света в форме: светлых щелевых солитонов, тёмных дискретных солитонов и поверхностных солитонов в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами.
Научная ценность защищаемых положений и других результатов
диссертационной работы заключается в том, что:
- предложенный в работе метод оптической модуляции позволяет
контролируемым образом изменять профиль показателя преломления
стационарной волноводной структуры, выполненной на основе
кристалла LiNb03. Это даёт возможность создавать волноводные
структуры с различными оптически реконфигурируемыми профилями
показателя преломления сложной формы, что представляет
несомненный интерес с точки зрения изучения влияния топологии
волноводной структуры на характер дифракции световых пучков.
Практическая значимость защищаемых положений и других результатов диссертационной работы состоит в следующем:
- предложенный метод формирования волноводных структур со сложным
профилем показателя преломления в отличие от голографического
метода [13] позволяет осуществлять не только периодическое
изменение показателя преломления, а в отличие от контактного метода [14] позволяет изменять показатель преломления каждого волноводного элемента на различную величину;
исследование закономерностей линейного и нелинейного распространения света вблизи общей границы двух периодических волноводных структур с разными параметрами позволяет прогнозировать характеристики световых полей вблизи общей границы связанных оптических систем, что даёт возможность при формировании оптических приборов и устройств как исключить влияние одной оптической системы на распространение оптических сигналов в другой, так и осуществить связь между ними заданным образом;
установленная возможность формирования светлых и темных дискретных солитонов в волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами позволяет говорить о потенциальной применимости наблюдаемых явлений при создании компонентов оптических систем связи и устройств оптической обработки информации.
Внедрение результатов работы и рекомендации по их дальнейшему использованию.
Диссертационная работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований, проводимых кафедрой сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, а результаты работы были включены в отчеты о НИР:
- НИР № 2.1.1/429 «Эффекты нелинейного пространственного и
спектрального преобразования световых полей в квазирегулярных
дифракционных, волноводно-оптических и доменных структурах на
основе фотополимерных материалов, электрооптических и
сегнетоэлектрических кристаллов» аналитической ведомственной
целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)»;
Грант РФФИ-ГФЕН Китая 11-02-91162-ГФЕН_а «Создание и исследование фоторефрактивных фотонных волноводов и сверхрешёток в оптических кристаллах» (2011-2012 гг.);
НИР «Взаимодействие и самовоздействие световых пучков в фоторефрактивных кристаллах, фотополимерных нанокомпозитных материалах, волноводных периодических поляризованных структурах на ниобате лития, фотонных решётках и сверхрешётках в электрооптических и лазерных кристаллах, для обеспечения высокочувствительных адаптивных интерферометрических измерений и реализации волноводных нелинейно-оптических и лазерных компонентов» по Государственному контракту № 2.2647.2011 (2012-2014 гг.).
Результаты исследований могут быть использованы в научных организациях, занимающихся изучением свойств фотонных структур, а также в учебном процессе для изучения нелинейно-оптических эффектов в фоторефрактивных материалах и волноводных структурах, сформированных на их основе, например на кафедре сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники в курсах "Основы физической оптики" и "Оптические солитоны".
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих всероссийских и международных конференциях:
Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects, and Devices: Control of Light and Matter 2009, Bad Honnef, Germany;
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Научная сессия ТУСУР" 2010 г., Томск, Россия;
Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects, and Devices: Light in Nonlinear Structured Materials 2011, Ensenada, Mexico;
XIII Российская научная студенческая конференция по физике твердого тела 2012 г., Томск, Россия;
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов
и молодых учёных "Научная сессия ТУСУР" 2012 г., Томск, Россия. Результаты работы также докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники и в университете Гельмута Шмидта (Германия) на кафедре экспериментальной физики и материаловедения.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных изданиях. Из них 5 статей в рецензируемых научных журналах и 5 публикаций в сборниках научных трудов международных и всероссийских конференций.
Личный вклад автора.
Представленные в диссертации экспериментальные результаты получены автором лично. Автором проводилась разработка экспериментальных установок и методик экспериментальных исследований, обработка и интерпретация полученных результатов. Постановка задач на начальном этапе исследований осуществлялась совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., профессором В.М. Шандаровым и научным консультантом д-р, профессором D. Kip (Германия). Вклад основных соавторов заключался в подготовке экспериментальных образцов С. Rtiter (Германия), в обсуждении результатов исследований С. Rtiter, D.Kip, в проведении численного моделирования С. Rtiter, P. Belicev, І. Ніс, М. Stepic (Сербия), J. Cuevas (Испания), P. Kevrekidis (США). Анализ и обобщение полученных результатов компьютерного моделирования проводились совместно с соавторами.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 122 наименования. Работа содержит 47 рисунков и имеет общий объем 117 страниц.
