Теория и математическое моделирование рассеяния лазерного излучения в нерегулярном интегрально-оптическом волноводе при наличии шума

• Автор: Егоров, Александр Алексеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 300 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие интегральной оптики и волноводной оптоэлектроники за последние лет существенно продвинуло исследования рассеяния светового излучения в нерегулярных интегральнооптических планарных волноводах ПВ. Число различных книг, журнальных и других публикаций посвященных данной проблеме достаточно велико по нашей оценке несколько сотен.
Совершенствование и активное развитие теоретических и компьютерных методов исследования, быстрый технологический прогресс стимулировали интерес к разработке полной векторной теории волноводного рассеяния в нерегулярном волноводе. Решение этой задачи имеет первостепенное значение для развития нанотехнологий в интегральной оптике и волноводной оптоэлектронике. Трехмерный анализ рассеяния, в отличие от двухмерного, позволяет точнее определить среднеквадратичные параметры нерегулярностей и правильно рассчитать такой важный для устройств интегральной оптики параметр как затухание направляемой моды изза рассеяния. Кроме того, трехмерное решение электродинамической задачи позволяет намного точнее учесть влияние нерегулярностей на предельные характеристики планарных лазеров. Учет векторного характера полей в ближней зоне позволит рассчитывать трехмерные диаграммы рассеяния в местах расположения субволновых топологических элементов интегральнооптических структур, на их краях, на элементах связи и т.д. В связи с вышесказанным исследование векторного рассеяния лазерного излучения на трехмерных нерегулярностях интегрального планарного волновода является актуальной задачей, имеющей как фундаментальное, так и прикладное значение т.к. полная векторная теория трехмерного волноводного рассеяния в интегральнооптическом волноводе с произвольными нерегулярностями при наличии шума еще находится в стадии разработки.
Важно отметить, что в большинстве публикаций, как по однократному, так и по волноводному рассеянию света практически отсутствует постановка обратной задачи рассеяния ОЗР и обсуждение связанной с ней проблемы корректности, особенно при наличии шума. Исключение составляют некоторые публикации по классическим проблемам рассеяния, например, на телах различной формы, в
которых определяется эффективное сечение рассеяния, поверхностный импеданс или профиль показателя преломления слабо неоднородной среды. А рассмотрение ОЗР, как правило, ограничено аддитивным шумом небольшой величины. Более того обратная задача волноводного рассеяния, как при наличии, так и в отсутствие шума до сих пор не была решена.
В последние годы повысился интерес к разработке новых высокоточных оптических методов неразрушающего контроля и идентификации микрообъекгов в лазерной и интегральной оптике, микро и наноэлектронике, биологии, медицине, экологии, биофизике, биохимии и других наукоемких областях исследования. Это связано в первую очередь с высокой чувствительностью оптических методов, а также с возможностью оперативного неинвазивного исследования микроструктуры поверхности объектов различной природы. В связи с этим особую важность и актуальность приобрело решение задачи восстановления характеристик и определения геометрических размеров микрообъектов с превышением разрешения АббеРэлея, т.е. со сверхразрешением. В более широком смысле под этой задачей следует понимать задачу существенного повышения разрешения. Эта проблема является фундаментальной как для интегральной оптики, волноводной оптоэлектроники, лазерной оптики, наноэлектроники и др., так и для медицины, биофизики, и других жизненно важных естественных наук. С этой точки зрения метод волноводного рассеяния, позволяющий решить задачу преодоления дифракционного предела, является, несомненно, актуальным и перспективным.

Актуальность

Число различных книг, журнальных и других публикаций посвященных интегральной оптике и волноводной оптоэлектронике, а также проблемам рассеяния светового излучения в нерегулярных оптических волноводах и оптических интегральных схемах, созданных на их основе, достаточно велико см. В бывшем СССР и современной России необходимо отметить работы следующих коллективов и отдельных авторов Каценеленбаум Б. З. с сотрудниками Дерюгин I с сотрудниками Прохоров А. М. с сотрудниками Шевченко В. В. с сотрудниками Золотов Е. М. с сотрудниками Сычугов В. А. с сотрудниками Гончаренко А. М. с сотрудниками Вайнштейн Л. А. Взятышев В. Ф. с сотрудниками Иогансен Л. В. Нефедов Е. И. с сотрудниками Быковский Ю. А. с сотрудниками Тищенко с сотрудниками и ряд других. Из зарубежных исследователей отмстим следующих Маркузе Д. Капани Н. С. Барноски М. М.К. Тамир . Т. Когельник Г. Гьен П. К. i Р. К. Унгер Х. Г. X Содха М. С. и Гхатак А. К. , Хансперджер . I . Снайдер А. Лав Дж. Холл Д. Мийанага . Готлиб М. М. с сотрудниками Суемацу Й. Фуруи . Уолтер Д. Дж. Хухтон Дж. Туан X и многие Другие. Основная идея волноводного метода заключается в том, что свет, распространяясь в планарном оптическом волноводе путем многократных отражений от границ раздела сред, образующих волновод, рассеивается на нерегулярностях структуры волновода. Регистрация рассеянного в плоскости волновода i i или вне волновода i излучения, в частности его углового распределения, позволяет в рамках той или иной теоретической модели, сделанных упрощений и предположений определить статистику нерегулярностей и их геометрические иили оптикофизические параметры. К геометрическим параметрам относятся, например, среднеквадратичная высота и радиус корреляции неровностей границ раздела волновода иили объемных неоднородностей волноводного слоя, а к оптикофизическим среднеквадратичное отклонение показателя преломления волноводного слоя от его среднего значения и коэффициент поверхностного натяжения объемных неоднородностей волноводного слоя. В той или иной мере вопросы дифракции и рассеяния волн в волноводах
различных типов рассмотрены в теоретических работах Кацеенбаума Б. Шевченко В. В. , , Маркузе Д. Басса Ф. Г. и Фукса И. М. 4, Дерюгина Л. Н. с сотрудниками , 5, , , , Прохорова А. М. с сотрудниками и многих других исследователей как у нас в стране, так и за рубежом см. Список цитированных работ может быть существенно расширен за счет списка литературы, приведенного в обзоре 0, который обобщает основные результаты исследований по интегральной оптике, выполненные в лаборатории колебаний Физического института АН СССР, на кафедре радиофизики Университета дружбы народов и в Могилевском отделении Института физики АН БССР. С целью расширения списка работ по волновым явлениям в тонкопленочных волноводах рекомендуем также обзор . Рассеянию и потерям изза рассеяния на флуктуациях показателя преломления и объемных неоднородностях в средах и волноведущих структурах также посвящено много работ. Исследования ведутся, начиная с пионерских работ в этом направлении Тиндаля и Рэлея по рассеянию в мутных, коллоидных средах эффект Тиндаля и рассеянию в оптически прозрачных и однородных в макроскопическом смысле средах на различных статистических флуктуациях плотности, концентрации, анизотропии и т. Рэлея. При рассеянии Рэлея интенсивность прошедшего через среду рассеянного света зависит обратно пропорционально четвертой степени длине волны падающего излучения , 9. Теория рассеяния Ми используется, если размеры рассеивающих частиц больше размеров молекул от 1 до 0 мкм . Ввиду ее сложности чаще всего пользуются модельными упрощениями и экспериментальными результатами. Много внимания этой проблеме уделено Черновым 5, Ван де Хюлстом 6, Бореном и Хафмсном 7, Шифрииым 8, Татарским 9 и многими другими. Теории рассеяния Рэлея и Ми использованы в ряде работ по волноводному рассеянию света. Исследования в высокочастотной электродинамике, интегральной оптике и волноводной оптоэлектронике за последние тридцать пять лет способствовали как разработке, так и интенсивному развитию метода волноводного рассеяния.