Эффекты акустооптического взаимодействия и интерференции в сложных оптических волноводных структурах

• Автор: Царев, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 260 с. : ил.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АО - акустооптика

АОФ - акустооптический фильтр

BOJIC - волоконно-оптическая линия связи

ВШП - встречно-штыревой преобразователь (используется для возбуждения ПАВ)

КНИ - кремний-на-изоляторе

КМОП - комплементарный метал-окисел-полупроводник ПАВ - поверхностная акустическая волна A WG - решетка на основе массива волноводов

ROADM- перестраиваемый оптический мультиплексор ввода/вывода

WDM - частотное (спектральное) уплотнение

In - входной сигнал ROADM

Drop - сигнал фильтрации ROADM

Through - сигнал прохождения ROADM
Add-добавленный сигнал ROADM
As2S3 - халькогенидное стекло
Ti:LiNb03- волновод полученный диффузией Ti в ниобат лития ВРМ - beam propagation method (метод распространяющихся пучков)
FDTD - finite difference time domain method (метод конечных разностей во временной области)
FullWA VE и ВеатРгор - пакеты программ от компании RSoft Design Group Inc.
для выполнения расчетов методами FDTD и ВРМ, соответственно FEM - метод конечных элементов
FSR - свободная спектральная зона (рабочая полоса оптического фильтра)
PDL - поляризационно-зависимые потери
ТЕ - волна, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости волновода
ТМ- волна, у которой вектор магнитного поля лежит в плоскости волновода

X, У, Я- кристаллографические оси
р+ - область полупроводника с высокой концентрацией свободных дырок С- или Ь - диапазоны прозрачности оптического волокна, чаще всего используемые в телекоммуникациях ЛМ),_ концентрация свободных дырок АЫе _ концентрация свободных электронов Ш- изменение показателя преломления из-за нагрева АТ - изменение температуры
Ап - величина изменения показателя преломления, например, за счет концентрации свободных носителей или диффузии титана Ра - мощность ПАВ /- частота ПАВ Ь - апертура ПАВ Л - длина волны ПАВ Яо - длина волны света к0= 2я/Я0 - волновой вектор света К = 2тс/Л - волновой вектор ПАВ у - скорость ПАВ
С/о - амплитуда нормальной компоненты смещения ПАВ на границе К1 - константа, которая связывает Ра с £,/ и и о (Ра=К]Ь/и02)
Г/1 - эффективность дифракции
Гтп - коэффициента связи мод номера т и п
1тп - интеграл перекрытия мод номера т и п с возмущением диэлектрической проницаемости
Ет - поперечное распределения оптических полей
е— диэлектрическая проницаемость
А^- тензор возмущения диэлектрической проницаемости
ып - поперечное распределение поля ТЕ-моды
кт — поперечное распределение поля ТМ-моды

вт - угол Брэгга для т-ой моды волновода Л',„ - эффективный показатель преломления моды волновода По,П] и показатели преломления на границе волновода, в глубине волновода и покровного слоя, соответственно Мте, Мто - эффективные показатели преломления необыкновенный (е) и обыкновенный (о) волн пе, п0 - показатели преломления необыкновенный (е) и обыкновенный (о) волн (р(у) " функция профиля оптического волновода
Ьт =(Ит2-п 12)/(по -п/у) - нормированный эффективный показатель преломления т =я(т+Зт+3/4)/Уо - нормированный модовый индекс,
^=у/к0~ нормированная координата,
Уо =к0(п!?-П]2)1/2к1) - нормированная толщина волновода,
к0 = | [(р(у)]ШЛу - глубина диффузии, о
7тП = Гту/Ап1/2 и Т7 = //Ап112 - нормированные коэффициент связи и частоты в - угол отражателя относительно волновода
во - угол расположения полоскового волновода относительно кристаллографической оси Z кристалла >г - ширина канального волновода
- ширина основания двухгребневого волновода IV - ширина нагревателя
Wg - ширина легированной области волновода или размер изолирующей области между волноводами с1 - период расположения отражателей О - ширина отражателя £>/ - расстояние между канавками Г)2 - смещение осей волноводов Я - коэффициент отражения по мощности Т - коэффициент прохождения по мощности

волноводов). Волноводы, полученные диффузией титана, как правило, имеют профиль показателя преломления в виде функции Гаусса [115]: п(у) =П]+Ап ехр(-у2/Ъ2). (1.15)
Это позволяет проводить анализ процесса акустооптического взаимодействия в оптических волноводах с произвольными параметрами с помощью универсальных кривых, аналогичных представленных ниже на Рис. 4 и Рис.5 для случая дифракции ТЕ мод на 72 ПАВ в ниобате лития [17]. Аналогичные зависимости для случая ТМ мод приведены в [18]. Результаты расчетов, представленные на Рис. 4 и Рис.5, позволяют построить частотную зависимость произвольного оптического волновода по известным значениям Ап и Го, которые, в свою очередь, связаны с параметрами технологического процесса известным соотношением [115]:
Апе = АеМ(тгОр)'12 ехр[-у2/(40р)];
М=[У0(Апе)1/2]/[2коАеп//2], (1.16)
где Ми/- масса диффузанта и время диффузии, соответственно, константы диффузии Ае и Д, находятся для каждого конкретного диффузанта экспериментально. Для диффузии титана в 7-срез ниобата лития при температуре 1000 °С типичными значениями являются [115]: Ае = 0.2 смЗ/г, и Д= 0.25 мкм2/час.
В частности, из Рис.5 видно, что для процесса дифракции ТЕ0-ТЕ0 максимум коэффициента связи наблюдается для одномодовых волноводов с Го=4.3 (к = 2.6-Ло). Например, если необходимо, чтобы максимум частотной зависимости приходился на частоту 500 МГц, то это достигается в волноводе с Ап = 0.014. При этом величина коэффициента связи Гтп=0.24 (мВт см)'1, что обеспечивает 100% эффективность дифракции на акустической апертуре 0.2 см и мощности ПАВ 50 мВт.