Введение к работе
Актуальность работы
Оптические импульсы используются для передачи информации в глобальных и локальных коммуникационных системах. Пропускная способность сетей растет ускоренными темпами, при этом также значительно возрастают энергозатраты на электронно-оптические преобразования в узлах связи. Одно из перспективных направлений по увеличению производительности сетей с одновременной повышением энергоэффективности, является разработка методов полностью оптического управления оптическими импульсами в специальных интегральных оптических устройствах. Для реализации этого подхода необходимо использовать нелинейные оптические эффекты. Нелинейное самовоздействие и взаимодействие оптических пучков и импульсов может быть использовано для переключения, маршрутизации и преобразования сигналов. С другой стороны, нелинейные процессы позволяют генерировать отдельные фотоны, которые могут использоваться для создания защищенных линий связи, использующих принципы квантовой оптики.
Принципиально новые возможности по эффективному применению нелинейных процессов открываются при использовании специально структурированных волноводных систем, в которых используются последние достижения техники по изготовлению элементов с микро- и нано- разрешением. Так, в последние десятилетия широко исследовались фотонные кристаллы, где оптический показатель преломления периодически модулирован. Важно, что в таких структурах оптическая нелинейность может быть значительно усилена по сравнению с объёмными оптическими кристаллами. Более того, в искусственных структурах нелинейные взаимодействия могут протекать совершенно иным образом и для их изучения и применения требуются фундаментальные научные исследования.
В рамках данной диссертационной работы выработаны оригинальные
подходы к решению ряда актуальных проблем эффективной реализации управления светом на основе систем связанных волноводов, которые можно рассматривать как один из типов фотонных кристаллов. Показано, что такие системы могут работать в широком спектральном диапазоне, характерном для источников света со спектром суперконтинуума и сверхкоротких импульсов. Эти системы могут обеспечивать контроль над скоростью света для динамического изменения задержки импульсов и могут генерировать отдельные оптические фотоны с перестраиваемой статистикой для устройств квантовой оптики, включая защищенные линии передач.
Цель диссертационной работы
Разработка новых фундаментальных подходов к управлению пучками и импульсами света в системах связанных нелинейных волноводов, позволяющих реализовать оптическое переключение света в широком спектральном диапазоне и управление скоростью и задержкой импульсов с одновременным подавлением их пространственного и временного дисперсионного расплыва-ния, а также преобразование длины волны света, включая режим генерации пар фотонов с перестраиваемой квантовой статистикой.
Научная новизна
Представленные результаты исследований по управлению импульсами и пучками в системах связанных волноводов являются принципиально новыми. В частности,
-
Разработаны оригинальные методы построения компактных интегрированных оптических волноводных систем для перестраиваемого управления пространственными профилями пучков от источников белого света со спектром суперконтинуума, позволяющие разделять и комбинировать различные спектральные компоненты. Важно отметить, что разработанные методы обладают большой общностью и они применимы к волноводам изготовленным из различных материалов.
-
Предложены новые подходы к одновременному замедлению импульсов света и их переключению между выходными каналами в волноводных системах. При этом возможно повышение энергоэффективности, т.к. в режиме медленного света усиливаются нелинейные эффекты и оптическое переключение может происходить при меньшей мощности.
-
Предсказан новый фундаментальный эффект резкого изменения фазового профиля пучка второй гармоники при нелинейной фокусировке пучка накачки. Это явление основано на одновременном действии нелинейной фо-
кусировки и линейной фазовой синхронизации; такие эффекты могут наблюдаться в различных физических системах.
-
Впервые поставлена и решена задача описания перепутанных фотонных состояний при спонтанном параметрическом рассеянии в нелинейных связанных волноводах и предложены методы по гибкому управлению квантовой статистикой. Ключевым преимуществом предложенной концепции является практическое отсутствие потерь внутри одного интегрального элемента, объединяющего в себе функции генерации и обработки квантовых состояний.
-
Разработан оригинальный метод спектрального анализа высокого разрешения, позволяющий определить с высокой точностью параметры мод в коротких отрезках периодических волноводов. При этом преодолевается фундаментальное ограничение метода Фурье, где разрешение обратно пропорционально длине волновода, в то время как для практических применений требуются максимально компактные устройства. Метод устойчив к шумам и применим для обработки данных численных расчётов, а также экспериментальных измерений, полученных с ближнепольных микроскопов.
Практическая значимость
Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы при создании систем оптической связи нового поколения, основанных на принципе оптического управления световыми импульсами и пучками, позволяющего увеличить скорость, производительность и энергоэффективность. Разработанные методы спектрального анализа могут использоваться для точного анализа распространения света в волноводах, что важно для контроля параметров изготовляемых устройств. Также предложенные подходы к генерации фотонов с перестраиваемой статистикой могут найти применение в реализации защищенных линий связи и квантовых вычислений.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Пространственно-спектральное переключение пучков со сверхшироким суперконтинуумным спектром реализовано в массивах нелинейных волноводов. Избирательное разделение и комбинирование различных спектральных компонент с помощью дифракции волн в периодической структуре и нелинейного взаимодействия компонент с различными длинами волн.
-
Управление дифракцией и рефракцией световых пучков в широком спектральном диапазоне, например, для всего видимого спектра, в системах продольно модулированных волноводов. Произвольно настраиваемая зависи-
мость силы дифракции от оптической длины волны за счёт специального выбора периодического продольного профиля изгиба волноводов в массиве. Реализация подавленной или частотно-независимой дифракции. Изменение эффективной геометрии двумерных решёток между гексагональной, квадратной и одномерной.
-
Одновременное замедление импульсов света и их пространственное переключение в системах волноводов с решётками Брэгга и фотонно-кристал-лических волноводах, которые сдвинуты относительно соседних волноводов в продольном направлении на пол-периода решётки. Сохранение эффекта эффективного переключения при небольшом отклонении в значении сдвига от оптимального.
-
Динамически перестраиваемое замедление и пространственное переключение оптических импульсов в связанных волноводах с решётками Брэгга. Режим полного переключения импульса между выходными волноводами при изменении мощности всего на 1%, что является преимуществом по сравнению с обычными волноводами. За счёт нелинейного самовоздействия происходит подавление дисперсионного расплывания медленных импульсов.
-
Метод спектрального анализа, позволяющий определять дисперсию распространяющихся и нераспространяющихся (неоднородных) волн в периодических волноводах с высоким разрешением, превышающим точность анализа Фурье. Высокая эффективность метода в применении к численному моделированию и обработке экспериментальных измерений с ближнепольного микроскопа.
-
Резкое переключение фазового профиля пучка второй оптической гармоники при плавном изменении мощности накачки в системе волноводов с квадратичной нелинейностью. При малой мощности фазовый фронт плоский, а при превышении мощностью порогового значения фаза между соседними волноводами сдвигается на л. Фазовая трансформация связана с нелинейной самофокусировкой пучка и линейной синхронизацией фаз между волноводами.
-
Генерация пар перепутанных фотонов в процессе спонтанного параметрического рассеяния в системе нелинейных оптических волноводов, с квантовой статистикой, ключевым образом отличающейся от фотонов, сгенерированных в однородных кристаллах. Гибкое управление пространственными корреляциями фотонов за счёт изменения классического профиля пучка накачки.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на конференциях, включая следующие приглашенные доклады:
-
A. A. Sukhorukov, "Generation and shaping of photon pairs in nonlinear waveguide arrays," 15-th International Conference on Laser Optics, 25-29 June 2012, St. Petersburg, Russia.
-
A. A. Sukhorukov, Y. Sun, and T. P. White, "Slow-light enhanced optomechanical interactions,"Advances in Slow and Fast Light - SPIE Photonics West, 21-26 January 2012, San Francisco, USA.
-
A. A. Sukhorukov, "Optical Phase Transitions and Quantum Walks in Nonlinear Waveguide Arrays,"CLEO Pacific Rim, 28 August - 1 September 2011, Sydney, Australia.
-
A. A. Sukhorukov, "PT symmetric nonlinear photonic structures,"Active Photonic Materials IV - SPIE Optics and Photonics, San Diego 2011, 21-25 August 2011, San Diego, USA.
-
A. A. Sukhorukov, "Quantum Walks and Phase Transitions in Quadratic Nonlinear Waveguide Arrays,"WAVEPRO - Wave Propagation: From Electrons, to Photonic Crystals and Memamaterials, 8-11 June 2011, Crete, Greece.
-
T. White and A. A. Sukhorukov, "Effect of loss in dispersion-engineered slow light waveguides/Tnternational meeting "Days on Diffraction,"30 May - 3 June 2011, St. Petersburg, Russia
-
A. A. Sukhorukov, "Slow and fast light in photonic crystals with gain and loss,"Advances in Slow and Fast Light - SPIE Photonics West, 22-27 January 2011, San Francisco, USA.
-
A. A. Sukhorukov, "Slow light in coupled periodic photonic structures,"International Workshop on Complexity in Periodically Structured Systems, 30 August - 3 September 2010, Dresden, Germany.
-
A. A. Sukhorukov, "Localization and switching of light in nonlinear photonic lattices/Tnternational Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), 23-26 August 2010, Kazan, Russia.
-
A. A. Sukhorukov, "Nonlinear photonics in curved photonic lattices," 14-th International Conference on Laser Optics, 28 June - 2 July 2010, St. Petersburg, Russia.
-
A. A. Sukhorukov, "Coupled cavities and band-edge slow-light in periodic waveguides,"Advances in Slow and Fast Light - SPIE Photonics West, 22-28 January 2010, San Francisco, USA.
-
Yu. S. Kivshar and A. A. Sukhorukov, "Nonlinear physics in periodic photonic structures,"ETOPIM - The 8th International Conference on Electrical,Transport and Optical Properties of Inhomogeneous Media, 7-12 June, 2009, Crete, Greece.
-
A. A. Sukhorukov, "Polychromatic light control in nonlinear photonic lattices,"Workshop "Nonlinear Optics In Guided Geometries 18-20 May 2009, Berlin, Germany.
-
A. A. Sukhorukov, "Slow-light in nonlinear periodic waveguides,"PECS
VIII The 8th International Photonic & Electromagnetic Crystal Structures Meeting, 5-9 April 2009, Sydney, Australia.
-
A. A. Sukhorukov, "Slow Light Vortices and Resonances in Periodic Waveguides: Theory and Experiment,"Advances in Slow and Fast Light - SPIE Photonics West, 24-29 January 2009, San Jose, USA.
-
A. A. Sukhorukov, "Switching of slow-light pulses in coupled periodic waveguides/Tnternational Conference "Laser Optics 2008 St.Petersburg, Russia, 23-28 June 2008.
-
A. A. Sukhorukov, "Switching of slow-light in photonic structures,"International meeting "Days on Diffraction,"St. Petersburg, Russia, 3-6 June 2008
-
A. A. Sukhorukov, "Slow-light switching in periodic photonic structures,"International Heraeus-Seminar on "Discrete Optics and Beyond Bad Honnef, Germany, 19-22 May 2008.
-
A. A. Sukhorukov, "Photonic crystal couplers for slow light,"Advances in Slow and Fast Light - SPIE Photonics West, 19-24 January 2008, San Jose, USA.
-
A. A. Sukhorukov, "Spatio-temporal localization and all-optical switching in nonlinear photonic structures/Tnternational Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), May 28 - June 1, 2007, Minsk, Belrus.
-
A. A. Sukhorukov, "Supercontinuum discrete solitons,"IX International Workshop on Nonlinear Optics Applications, May 17-20 2007, Swinoujscie, Poland.
-
A. A. Sukhorukov, "Spatio-temporal localization and all-optical switching in nonlinear photonic lattices,"International seminar and workshop "Nonlinear Physics in Periodic Structures March 19-30, 2007, Dresden, Germany.
-
A. A. Sukhorukov, "Slow light in nonlinear Bragg grating structures,"International workshop "Nonlinear Effects in Photonic Materials March 12-14, 2007, Berlin, Germany.
-
A. A. Sukhorukov and Yu. S. Kivshar, "Slow-light diffraction management and optical bullets in nonlinear Bragg-grating waveguide arrays,"XII Conference on Laser Optics, June 26-30, 2006, St. Petersburg, Russia.
-
A. A. Sukhorukov and Yu. S. Kivshar, "Soliton mobility in nonlinear lattices,"SPIE International Congress on Optics and Optoelectronics, 28 August - 2 September 2005, Warsaw, Poland
-
A. A. Sukhorukov, "Spatial beam switching in low-index nonlinear photonic structures,"International workshop on "Photonic crystals: fundamentals to devices "(Australia, July 2005)
Основные публикации
По теме диссертации автором опубликовано 5 глав в книгах и 134 статьи в журналах, удовлетворяющих требованию ВАК как включенные в систему цитирования (библиографическую базу) Web of Science.
Личный вклад автора
