Введение к работе
Актуальность темы. Изучение волновых процессов и проблем управления оптическим излучением в твёрдом теле является одним из важнейших приоритетов в современной теоретической и прикладной физике. Особую роль указанные направления играют в современной оптоэлектронике, которая рассматривает проблемы совместного использования оптических и электронных методов обработки, передачи и хранения информации. В когерентной оптоэлектронике в качестве базовых элементов широко используются полубесконечные направляющие структуры и планарные волноводы, конструктивно объединяемые с интегрально-, волоконно-оптическими и электронными компонентами различного функционального назначения. Использование полу бесконечных направляющих структур для возбуждения поверхностных электромагнитных волн (плазмонов, поляритонов и т.д.) позволяет значительно улучшить характеристики оптических и электронных компонентов, таких как датчики, модуляторы, переключатели и поляризаторы. К достоинствам планарных волноводов следует отнести их компактность, экономичность, а также незаменимость в ряде интегрально-оптических устройств — модуляторах, дефлекторах, в планарных фокусирующих элементах и т.д.
Особенности распространения объёмных волноводных мод в плоских трехслойных структурах, прозрачных в оптическом диапазоне, равно как и поверхностных электромагнитных волн на границах раздела традиционных сред, достаточно хорошо изучены [1,2]. В этой связи особое значение приобретает изучение электродинамических и оптических свойств волноведущих структур различных конфигураций (полубесконечных, трёх- и многослойных), создаваемых на основе новых и перспективных композитных материалов, что позволило бы решить проблему формирования высокоэффективных пассивных и активных элементов с заданными рабочими характеристиками.
Интерес к четырехслойным оптическим волноводам вызван их уникальными свойствами, обусловленными эффектами периодической связи между волноводными модами покровного и основного направляющих слоев [3]. Благодаря этому, такие структуры перспективны для создания поляризационных и частотных фильтров, гетероструктурных интегрально-оптических излучателей и фото детекторов. До сих пор малоизученными оставались вопросы влияния поглощающего слоя четырехслойной планарной структуры на распространение мод и распределение их энергетических потоков как в случае слабого, так и сильного поглощения, обусловленного резонансной частотной зависимостью диэлектрической проницаемости.
Исследованию особенностей распространения и преобразования волн различной физической природы в периодических структурах на протяжении многих лет уделяется самое пристальное внимание. Известно, что в полупроводниковых кристаллах в условиях отрицательной дифференциальной подвижности (эффект Ганна) возможна генерация волн пространственного заряда, образующих периодическую электронную решётку. Оценка глубины модуляции диэлектрической проницаемости в предганновском режиме даёт значения величины As, достаточные для эффективного взаимодействия электромагнитных волн оптического диапазона
[4]. Вместе с тем, до сих пор не проводилось подробного рассмотрения коллинеарного взаимодействия оптических волноводных мод на периодической электронной решётке в направляющих полупроводниковых структурах.
Использование сверхпроводящих материалов при создании туннельных переходов, линий передачи и направляющих структур стало основой для появления оптоэлектронных устройств нового поколения. Элементы, содержащие сверхпроводники, находят широкое применение при создании многочисленных устройств и приборов СВЧ и миллиметрового диапазонов - модуляторов, фильтров, болометров, мультиплексоров, резонаторов, линий задержки, интерферометров на джозефсоновских переходах. В последнее время повышенный интерес вызывают исследования электродинамических свойств волноведущих структур на основе купратных высокотемпературных сверхпроводников, из которых наиболее изученными являются керамические соединения YBaCuO [5]. При этом многие теоретические вопросы распространения электромагнитного излучения, в особенности в ИК-области, остаются неясными из-за сложности микроструктуры указанного сверхпроводника, его анизотропных свойств, наличия псевдощели и т.п.
Электродинамика искусственных киральных и биизотропных сред быстро
развивается с конца 80-х гг. прошлого века, что во многом связано с успехами в
создании композитных материалов, структурированных в микроскопическом и
нанометровом масштабе [6,7]. Киральные и биизотропные среды обладают
магнитоэлектрическими свойствами, обусловленными проявлением
пространственной дисперсии. В этой связи явление киральности иногда называют пространственной дисперсией первого порядка. Поэтому при изучении направляющих структур на основе указанных сред приходится сталкиваться также с новыми специфическими задачами, не характерными для традиционных волноведущих структур.
Отдельный интерес представляют вопросы распространения
электромагнитного излучения в метаматериалах. Под метаматериалом принято
понимать композитную среду на основе идентичных искусственных структурных
элементов, обладающую необнаруженными в природе характеристиками [8]. Опыт
последних лет показывает, что затраты на создание таких сред оправдывается
широкими возможностями их научно-технического применения. В левых
метаматериалах, характеризующихся одновременно отрицательными
диэлектрической и магнитной проницаемостями, волновой вектор и электрическое и магнитное поля волны образуют левую ортогональную тройку. Это приводит к появлению целого ряда явлений, не встречающихся в обычных (правых) средах — отрицательный показатель преломления, обратный эффект Доплера и Вавилова-Черенкова [9], субволновое разрешение оптического изображения [10], обратный круговой эффект Брэгга [11], магнитоиндуктивные волны [12], отрицательный сдвиг Гуса-Хенкена [13]. Отметим, что многие из перечисленных эффектов могут быть ясно объяснены с помощью аппарата феноменологической электродинамики. В последнее время наблюдается тенденция перехода из СВЧ области в область больших частот, а также прилагаются заметные усилия экспериментаторских групп по созданию левых сред для инфракрасного и видимого диапазона. Уже обнаруженные экспериментально электромагнитные и оптические свойства метаматериалов и содержащих их структур открывают большие перспективы для
развития этой области физики и указывают на актуальность исследований в этом направлении.
Таким образом, исследование в рамках единого феноменологического подхода волновых явлений в широком классе новых искусственных направляющих структур является актуальным и имеет важное научное и практическое значение.
Целью диссертационной работы является исследование волновых процессов и возможностей управления электромагнитным излучением в планарных структурах с частотной и пространственной дисперсией, включающее изучение особенностей распространения и взаимодействия собственных монохроматических волн в поглощающих, резонансных, киральных и левых направляющих средах и волноводах.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
- проанализировать особенности волноводного распространения и локализации
света в ступенчатых и градиентных четырёхслойных волноводах с
высокопреломляющим покровным слоем, а также в структурах, содержащих
поглощающие, усиливающие слои и слои с резонансной частотной зависимостью
диэлектрической проницаемости;
рассмотреть коллинеарное взаимодействие оптических ТЕ и ТМ мод на периодической решётке, образованной волнами пространственного заряда в полупроводниковой волноводной структуре;
изучить дисперсионные и волноводные свойства полубезграничных и трёхслойных направляющих структур, содержащих высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), исследовать условия распространения поверхностных и объёмных магнитных поляритонов, их чувствительность к изменению параметров структуры и воздействию внешнего магнитного поля;
провести анализ явления кросс-поляризации плоских монохроматических волн на границе раздела «диэлектрик-биизотропная среда» и исследовать особенности интерференции встречных волн и тепловыделения в биизотропной среде;
- найти дисперсионные характеристики собственных электромагнитных волн в
магнитоуправляемых композитных слоисто-периодических структурах различных
типов, в магнитогиротропной продольно-намагниченной киральной среде вблизи
ферромагнитного резонанса, и выявить частотные области отрицательности
показателя преломления;
- провести исследование волноводных режимов для поверхностных и
объёмных мод в планарных структурах, включающих слои на основе левых
материалов с отрицательным показателем преломления.
Научная новизна работы.
1. В ступенчатых и градиентных четырёхслойных оптических волноводах с
высокопреломляющим покровным слоем получено условие набега фазы
L3h3 = (т3 + а) ж (где L3, h3, т3 - толщина, поперечное волновое число и
модовый индекс в покровном слое, а число а є [0,1]), позволяющее адекватно
описывать распространение света в структурах с учётом периодичности изменения констант распространения и толщин отсечки направляемых мод волноводного слоя.
2. Показано, что в планарных направляющих четырёхслойных структурах при
наличии значительного поглощения (усиления) либо частотной дисперсии одного из слоев возникает преобразование модового порядка, имеются частотные интервалы, где затухание ТЕ мод превосходит затухание ТМ мод, а в области отрицательности диэлектрической проницаемости покровного слоя модовое затухание значительно уменьшается.
-
Впервые получены дисперсионное соотношение для собственных волн пространственного заряда в планарной полупроводниковой структуре и аналитические выражения для эффективности однонаправленного и встречного преобразования ТЕ и ТМ мод в волноводе с усиливающейся волной пространственного заряда как при наличии, так и в отсутствие фазового синхронизма.
-
В рамках модели Гортера - Казимира в широкой частотной области исследованы волновые свойства полубезграничных и трёхслойных направляющих ВТСП-содержащих структур; сформулированы критерии существования поверхностных поляритонов в направляющих структурах с поглощающими слоями; получены дисперсионные уравнения для магнитных поляритонов в структуре ВТСП-ферромагнетик, обнаружена и изучена невзаимность дисперсионного поведения ТЕ поляритонов.
-
Впервые получены соотношения Френеля для случая наклонного падения плоских монохроматических волн на границу раздела «диэлектрик-биизотропная среда»; показано, что появление кросс-поляризации отражённой от биизотропной среды волны обусловлено, кроме киральности, также наличием невзаимности.
6. Впервые рассмотрено явление интерференции встречных волн в
поглощающей биизотропной среде и найдено условие существования
интерференционного потока электромагнитной энергии в непоглощающем
биизотропном материале.
-
Построены тензоры эффективных материальных параметров в различных типах композитных однородно-намагниченных слоисто-периодических структур на основе сверхрешёток из полупроводника и ферромагнетика, выявлены возможности внешнего управления (с помощью магнитного поля) знаком эффективного показателя преломления как в указанных структурах, так и в магнитогиротропной продольно-намагниченной киральной диссипативной среде.
-
В трёхслойных планарных структурах, содержащих слои с отрицательным показателем преломления, установлен и исследован критерий вырождения волноводных мод, при котором проявляется эффект «зацикливания» светового луча.
Проведенные в работе исследования являются, в основном, новыми, а их результаты получены впервые.
Практическая значимость результатов работы.
1. Результаты исследования поглощающих, усиливающих и резонансных
волноводных структур, а также направляющих структур с решёткой, образованной
волнами пространственного заряда, могут быть использованы для создания новых
пассивных и активных интегрально-оптических устройств: волноводных
модуляторов, фильтров, вентилей и лазерных структур с перестраиваемым
периодом решётки.
2. Выявленные особенности распространения объёмных волн и поверхностных
поляритонов в ВТСП - содержащих структурах могут получить применение при разработке линий задержки, передающих линий и интегральных устройств обработки информации.
3. На основе эффектов кросс-поляризации и интерференции встречных волн в
невзаимных киральных средах могут быть реализованы поляризационные и
маскирующие покрытия, а также статические и динамические брэгговские решётки.
4. Результаты исследований волноводов с левыми средами могут быть
применены при создании микрорезонаторных полостей нового типа, где для
реализации распределённой обратной связи используется среда с отрицательным
показателем преломления.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Наличие высокопреломляющего покровного слоя в планарных ступенчатых и градиентных структурах обуславливает возможность реализации волноводных режимов в основном и покровном слоях либо только в основном слое; периодичность изменения констант распространения, толщин отсечки мод основного слоя в зависимости от толщины покровного слоя позволяет эффективно управлять волноводными и энергетическими характеристиками, а также осуществлять избирательное возбуждение ТЕ и ТМ мод как при наличии, так и в отсутствие поглощения в структуре.
-
В планарных оптических волноводах с частотной дисперсией и резонансной частотной зависимостью диэлектрической проницаемости одного из слоев возникают аномалии в поведении модовых характеристик, не наблюдаемые в аналогичных нерезонансных структурах: в трёхслойном волноводе с поглощающей резонансной подложкой с увеличением номера моды проявляется отклонение от линейности частотной зависимости действительной части константы распространения в длинноволновой области и на участке вблизи оптического резонанса; в четырёхслойной резонансной волноводнои структуре существуют характерные частоты, на которых происходит изменение модового порядка, т.е. переход мод волноводного слоя в моды покровного.
-
Эффективность преобразования волноводных мод, взаимодействующих с нарастающей вдоль направления распространения волной пространственного заряда в тонком слое полупроводника, существенно зависит от уровня усиления волны и величины отстройки от фазового синхронизма; обмен мощностью между модами в условиях усиления для однонаправленной связи носит неэквидистантный характер, тогда как для разнонаправленной связи имеет место «вырождение» встречной и падающей мод, при котором они имеют одинаковую мощность во всей возмущённой области.
-
В полу безграничных направляющих поглощающих структурах «ВТСП-диэлектрик» поверхностные поляритоны распространяются при выполнении трёх критериев — 1) условия для константы распространения /? = /?'-г/?": /?' > О (отсутствие обратной волны) и /3" > 0 (отсутствие усиления), 2) условия локализации, или положительности фазовых скоростей поляритонов в обеих средах: р' > 0, К > 0 и 3) положительности энергетического потока; в симметричном трехслойном волноводе на основе направляющей плёнки ВТСП и обкладок из полярного диэлектрика область существования объёмных мод ограничивается двумя
частотно-зависимыми асимптотами, ТЕ моды низших порядков распространяются в структуре без отсечки вплоть до значения частоты поперечного оптического фонона, а у объёмных ТМ мод на частоте продольного оптического фонона происходит изменение порядка моды на единицу.
-
В биизотропной среде реализуется интерференция встречных волн, при которой полный поток энергии состоит из двух парциальных потоков, отвечающих только прямой и обратной монохроматическим волнам, и осциллирующего интерференционного потока, величина которого пропорциональна произведению амплитуд встречных волн; в непоглощающей биизотропной среде вследствие зависимости всех составляющих полного потока энергии от параметра невзаимности можно реализовать ситуацию, в которой полный поток становится равным интерференционному потоку, а парциальные энергетические потоки исчезают; кросс-поляризованные компоненты плоских монохроматических ТЕ и ТМ волн, отраженных от биизотропной среды, не исчезают при любых ненулевых параметрах киральности и невзаимности.
-
В магнитогиротропной киральной среде с потерями осуществим режим отрицательного показателя преломления для собственной волны с левым вращением плоскости поляризации; увеличение параметра киральности приводит к смещению показателя преломления в область отрицательных значений, причем, величина внешнего магнитного поля существенно влияет на знак показателя преломления.
-
Дисперсионные характеристики трёхслойных волноводов, включающих левые среды с отрицательным показателем преломления, кардинально отличаются от известных дисперсионных кривых для традиционных волноводов и существенно зависят от отношений диэлектрической и магнитной проницаемостей слоев, а также степени асимметрии структуры; распространение основной объёмной и поверхностных мод в указанных структурах ограничиваются тремя значениями нормированной константы распространения; в случае нулевой эффективной толщины структуры внутри направляющего слоя возникает эффект «зацикливания» волноводной моды.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве с коллегами. В постановке задач и обсуждении результатов принимал участие научный консультант, профессор кафедры радиофизики и электроники УлГУ Д.И. Семенцов, при работе в соавторстве соискателю принадлежит определяющий вклад как в получении новых данных, так и при их анализе.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на 31-ой научно-технической конференции (Ульяновск, 1997); V международном совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 1998); 3-й всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 1998); международной конференции «Физические процессы в неупорядоченных структурах (US-99)» (Ульяновск, 1999); III, IV, V, VI международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 2004; Нижний Новгород, 2005; Самара, 2006; Казань, 2007; Самара, 2008), на VII, VIII, IX, X, XI, XII международных научно-технических
конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2005-2006, 2008-2010; Абрау-Дюрсо, 2007); IV всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2007); 2-й и 3-й конференциях молодых ученых "Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2007 и 2008); 6-й Всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2007), международной конференции IEEE «13th Biennial Conference on Electromagnetic Field Computation» (Greece, Athens, 2008); международном симпозиуме «Moscow International Symposium on Magnetism», (Moscow, 2008); 7-й международной конференции «Математическое моделирование физических, технических, экономических и социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2009), XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Москва, 2009); на IV российском семинаре по волоконным лазерам (Ульяновск, 2010), на научных семинарах в Мордовском государственном университете им. Н.П. Огарева и в Ульяновском государственном университете.
Исследования поддерживались грантом Carl Zeiss 2009 (№5-11) и грантом Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (мероприятие 1.3.1, ГК № П2603).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, из которых 30 статей в отечественных и зарубежных научных журналах, включённых в Перечень ВАК. Список публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Она изложена на 375 страницах текста, содержит 109 рисунков и 5 таблиц. Список литературы состоит из 385 наименований.
