Методы управления оптическим излучением в диэлектрических волноводах с использованием фоторефрактивных Брэгговских решеток

• Автор: Шамрай, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 267 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Цель работы
Научная новизна
Практическая ценность
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
ГЛАВА 1. БРЭГГОВСКИЕ РЕШЕТКИ И ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Оптические фильтры на основе брэгговских решеток
1. 1. 1. Теория связанных волн
1. 1. 2. Области применения Брэгговских решеток
1.2. Методы формирования Брэгговских решеток
1. 2. 1. Объемный интерферометр
1. 2. 2. Источник света для голографической записи решеток
I. 2. 3. Требования к механической стабильности при записи голограмм и к чувствительности
регистрирующего материала
1. 2. 4. Интерферометр Ллойда
1. 2. 5. Схемы с фазовой маской
1.3. Материалы для управляемых Брэгговских решеток
1. 3. 1. Материалы для голографической записи
1. 3. 2. Механизм голографической записи в фоторефрактивных кристаллах
1. 3. 3. Электрооптический эффект
1. 3. 4. Фоторефрактивныы кристалл ниобата лития
1. 3. 5. Титанат бария
1.4. Оптические волноводы в фоторефрактивных кристаллах
I. 4. 1. Свойства диэлектрических волноводов
1. 4. 2. Технология изготовления волноводов в фоторефрактивных кристаллах
1.5. ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ ВОЛНОВОДЫ И ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ БРЭГГОВСКИЕ РЕШЕТКИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОВЫМИ ПОТОКАМИ
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИФРАКЦИИ НА БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТКАХ СО СЛОЖНЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ И СИНТЕЗ ЗАДАННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ОТКЛИКА
2.1. Спектральный отклик однородной Брэгговской решетки в фоторефрактивных
КРИСТАЛЛАХ
2.2. Брэгговские решетки со сложным пространственным распределением
2.2. 1. Прямое интегрирование системы уравнений для связных волн
2. 2. 2. Анализ спектрального отклика методом матриц переноса
2.3. Синтез спектральной передаточной функции Брэгговской решетки
2. 3. 1. Метод преобразования Фурье
2. 3. 2. Метод послойного обратного распространения
2. 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ФОРМОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ РЕШЕТОК В ВАТЮз
2.4. 1. Геометрия записи - считывания и экспериментальная установка
2. 4. 2 Характеристики динамических Брэгговских решеток в ВаТЮ3
2. 4. 3. Решетка с одним фазовым сдвигом (из двух секций)
2. 4. 4. Управление спектральной характеристикой динамической решетки содержащей несколько фазовых сдвигов
2.5. Дисперсионные характеристики Брэгговских решеток
Результаты Главы 2 7.7*7"
ГЛАВА 3. АНАЛИЗА ОПТИМАЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БРЭГГОВСКИМИ РЕШЕТКАМИ
3.1. Оптимальная для электрооптического управления Брэгговскими решетками
ориентация фоторефрактивных СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ
3.1.1. Физические принципы электрооптического управления Брэгговскими решетками
3. 1.2. Электрооптические свойства фоторефрактивных сегнетоэлектриков

3. 1.3. Зависимость электрической селективности от ориентации кристалла
3. 1.4 Влияние ориентации на амплитуду фоторефрактивных Брэгговских решеток
3. 1. 5. Оптимальная ориентация ЫЫЬ03
3. 1. 6. Оптимальная ориентация ВаТЮ3
3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ДЕМОНСТРАЦИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИЕЙ НА
объемных Брэгговских решетках
3. 2. 1. Управление объемными решетками в ЫШ03
3. 2. 2. Электрооптическое управление динамическими Брэгговскими решетками в ВаТЮ3
3.3. Анализ распространение оптического излучения в анизотропных диэлектрических
ВОЛНОВОДАХ
3. 3. 1. Косой срез подложки (конфигурация (а))
3. 3. 2. Ориентация со связью ТМи ТЕмоды (конфигурация (б))
Результаты Главы
ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ МЕТОДОМ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОТОННОГО ОБМЕНА
4. 1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ
4.2. Измерение профиля моды волноводов методом зондовой микроскопии
4.3. Теоретическая модель процессов формирования волноводов и численный расчет профиля моды
4. 3. 1. Физическая модель технологических этапов
4. 3. 2. Численный метод расчета волноводной моды
4.4. Сопоставления результатов численного моделирования с экспериментальными
данными
Результаты Главы
ГЛАВА 5. ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР НА ОСНОВЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОННЫХ МОД
5.1. Физические принципы, лежащие в основе работы плазмоншоляритонного поляризатора

5.2. Оригинальная технология изготовления интегрально-оптического плазмон-поляритонного поляризатора на ПОДЛОЖКАХ ЬЙЧвОз
5.3. Поиск оптимальной конфигурации плазмон-поляритонного поляризатора на
подложках ЬШВОз
Результаты главы
ГЛАВА 6. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИМИ БРЭГГОВСКИМИ РЕШЕТКАМИ В ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОМ ИСПОЛНЕНИИ
6.1. Управление спектральной характеристикой фиксированных Брэгговских решеток на
ПОДЛОЖКАХ НИОБАТА ЛИТИЯ
6. 1. 1. Изготовление управляемых Брэгговских решеток в интегрально-оптическом исполнении

6. 1. 2. Экспериментальная демонстрация гибкого электрооптического управления Брэгговской решетки в интегрально-оптическом исполнении
6.2. Демонстрация электрооптического управления дисперсионными характеристиками Брэгговских решеток
6. 2. 1. Схема экспериментальной установки для измерения групповой задержки
6. 2. 2. Экспериментальное наблюдение задержки и опережения оптических импульсов
6.3. Частотная модуляция и спектральное кодирование оптических сигналов
6. 3. 1. Макет для демонстрации передачи частотно-модулированных оптических сигналов.231 6. 3. 2. Экспериментальная демонстрация передачи оптического сигнала с частотной
модуляцией
6. 3. 3. Другие варианты частотного кодирования
Результаты Главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Актуальность темы
Современные информационные технологии всё шире используют оптический диапазон электромагнитных колебаний. Широкополосные системы оптической связи, оптические системы памяти и различные оптические датчики требуют всё более быстрого и гибкого управления световыми потоками. При этом одной из главных задач является управление оптическими сигналами без промежуточного преобразования сигналов в электронный вид. Использование оптических волноводов и интегрально-оптических устройств на их основе является одним из наиболее перспективных направлений решения данной задачи и еще одним шагом в направлении слияния фотоники и электроники. Высокая степень локализации поля световой волны позволяет существенно уменьшить размеры, увеличить быстродействие и эффективность управления оптическими сигналами.
Диэлектрические оптические волноводы достаточно широко используются для передачи и модуляции оптических сигналов — это прежде всего оптическое волокно и электрооптические модуляторы на основе ниобата лития. Современные технологии производства диэлектрических оптических волноводов обеспечивают предельно низкие оптические потери, а применение сегнетоэлектрических подложек для изготовления волноводных интегрально-оптических схем позволяет использовать электрооптический, акустооптический, а также и нелинейные оптические эффекты для управления оптическим излучением.
Расширение круга практических применений требует создание устройств с новыми функциональными характеристиками. Поэтому разработка и исследование новых методов управления оптическим излучением в диэлектрических волноводах является актуальной задачей. Особый интерес представляют исследования новых конфигураций интегрально-оптических устройств, в которых управление оптическими сигналами происходит при взаимодействии с периодическими структурами. Дифракция оптического излучения на периодических структурах дает диэлектрическим волноводам принципиально новые оптические свойства, такие как
При записи в кварцевом стекле (оптическом волокне) образуется постоянная решетка, но такой материал нельзя использовать повторно. Решетки, записанные в реверсивных средах (фоторефрактивные и фотохромные материалы) имеют промежуточную степень устойчивости и исчезают за сравнительно короткое время. Однако самопроизвольное стирание является нежелательным эффектом. Большинство прикладных задач предъявляют следующие требования к сохраняемости: решетка сохраняется неограниченно долгое время, однако стирание решетки может быть вызвано путем дополнительного внешнего воздействия (нагрева, приложения внешнего электрического поля, и т. п.).
В числе перспективных материалов для голографической записи, прежде всего, нужно отметить фоторефрактивные материалы [48-51]. Эти материалы обладают умеренной чувствительностью. Они относятся к числу регистрирующих материалов, в которых наиболее благоприятным образом сочетаются реверсивность (стирание и повторная запись) возможность фиксирования (создание постоянной голограммы). Они обладают достаточной разрешающей способностью. Кроме того они обладают хорошими электро-, пьезо- и акусто- оптическими характеристиками, что может использоваться для создания новых методов управления оптическим излучением. Данный класс материалов известен уже более 40 лет. Ниобат лития (LiNb03) был первым фоторефрактивным материалом, в котором была осуществлена голографическая запись [52, 53 ]. В последствии появились другие неорганические сегнетоэлектрические кристаллы, позволяющие улучшить некоторые свойства, такие как титанат бария (ВаТЮз) [54, 55] и SBN [56-58]. Совсем недавно были разработаны органические фоторефрактивные материалы [59]. Они характеризуются более высокой чувствительностью, низкой стоимостью, и легкостью изготовления по сравнению с неорганическими кристаллами. Однако требуют приложения большого внешнего электрического поля. Другой класс материалов для записи решеток, который активно исследуется сегодня - фотополимеры [60].
Эксперименты по сравнению характеристик различных материалов для голографической записи были проведены на установке PRISM (photorefractive information storage materials) [61] в рамках исследований по разработке систем голографической памяти, проводимых фирмой IBM. В качестве критерия использовался параметр — вероятность ошибки (BER) при записи двоичного изображения. Выбор данного параметра в качестве критерия не случаен, этот комплексный параметр позволяет объединить микроскопические и макроскопические свойства материала и оценить ограничения, связанные с