Поляризационно-селективные свойства четырехслойных оптических диэлектрических волноводов

• Автор: Векшин, Михаил Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 145 с. : ил.

1. Физические основы и принципы построения интегрально-оптических поляризаторов
1.1 Интегрально-оптические поляризаторы на основе диэлектрических волноводов с дополнительным поглощающим слоем
1.2 Волноводные поляризаторы с использованием естественной анизотропии
1.3 Поляризационная селекция излучения на основе искусственной анизотропии
1.4 Поляризационные элементы на основе резонансной связи
направленных оптических волн
Выводы
2. Универсальный метод поляризационной селекции ТЕ
ТМ-поляризованных волн на основе модового двупреломления вблизи условий отсечки в четырехслойных оптических
диэлектрических волноводах
2.1 Расчет модовой структуры в планарной модели интегрально-оптического поляризатора
2.2 Поляризационно-селективные эффекты в планарном четырехслойном оптическом волноводе
2.3 Влияние градиентной области в профиле показателя
преломления на поляризационные характеристики
2.4 Поляризационно-селективные свойства канального четырехслойного оптического волновода
2.5 Расчет коэффициента экстинкции интегрально-оптического
поляризатора
Выводы
3. Метод пространственного адиабатического разделения ТЕ- и ТМ-мод в асимметричномУ-разветвителе
4. Экспериментальные исследования ТЕ- и ТМ-поляризаторов на основе
ионообменных канальных волноводов в стекле
Заключение
Литература

Возрастающие потребности общества в высокопроизводительных и надежных системах сбора, обработки, передачи и преобразования информации стимулируют научные исследования по созданию и совершенствованию их элементной базы на основе новейших достижений оптоэлектроники. Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений оптоэлектроники в настоящее время является интегральная оптика, современный этап развития которой характеризуется созданием реальных функциональных устройств, таких как оптические процессоры, высокоскоростные модуляторы и коммутаторы, поляризаторы и разделители поляризаций, частотно-зависимые фильтры, датчики и т.д. [1-3].
На кафедре оптоэлектроники физико-технического факультета Кубанского государственного университета исследования в области интегральной оптики проводятся с 1978 г. Исследования и разработки осуществляются как в физико-технологическом, так и в схемотехническом аспектах, в основном по двум главным направлениям : построение полностью оптических информационных систем и создание гибридных оптоэлектронных средств обработки информации. Теоретически и экспериментально исследуются типовые и оригинальные волноводные и микрооптические структуры на основе стекла, ниобата лития и полимерных материалов - базовых материалов современной интегральной оптики. Обобщенные результаты некоторых исследований кафедры за последние годы в области волноводной оптики опубликованы в работах [4-7].
Применение поляризаторов в устройствах интегральной оптики связано с необходимостью обработки оптического излучения со вполне определенным состоянием поляризации, в то время как реальные интегрально-оптические волноводы деполяризуют оптическое излучение. Обыкновенные оптические волокна поляризацию излучения также не сохраняют. Поляризаторы выделяют определенную поляризационную компоненту излучения и применяют для подавления нежелательной деполяризации излучения, для увеличения амплитудного контраста в интегрально-оптических устройствах интерференционного типа, для уменьшения перекрестных помех в коммутаторах, переключателях и т.п.
Волноводные поляризаторы - важные компоненты когерентных волоконно-оптических линий связи и разного рода интегрально-оптических устройств : модуляторов , датчиков, вычислительных модулей и т.п. Поляризатор - обязательная часть интегрально-оптической схемы, входящей в состав волоконно-оптического гироскопа.

Для поляризационно-независимого детектирования и
поляризационно-разнесенного мультиплексирования в когерентных волоконно-оптических системах телекоммуникаций и обработки сигналов требуются расщепители поляризаций, позволяющие разделить различные поляризационные компоненты излучения в пространстве. Применение интегрально-оптических схем вместо волоконных или объемных оптических аналогов имеет неоспоримые преимущества, так как позволяет интегрировать большое количество элементов на едином чипе, тем самым легко создавая, например, многоканальную систему. Использование расщепителей позволяет также организовать автоматическую систему управления состоянием поляризации с обратной связью, необходимую волоконным и интегрально-оптическим системам обработки информации.
Исследования поляризационных эффектов в оптических волноводах на кафедре оптоэлектроники проводятся последние 10 лет. В ходе проведения исследовательских работ по изучению волноведущих свойств комбинированных многослойных волноводов с использованием пленок сульфида мышьяка (Л^Зз) был обнаружен выраженный поляризационный эффект. Конструкция поляризатора была запатентована [8] и было опубликовано сообщение о наблюдаемом эффекте [9], однако детально его природа и возможности использования оставались неясными.
Целью работы является комплекс исследований, направленных на изучение поляризационного эффекта в четырехслойных оптических диэлектрических волноводах на основе плоских изотропных слоев и создание эффективных интегрально-оптических ТЕ- и ТМ-поляризаторов и пространственных разделителей поляризации в стеклах на основе исследуемого эффекта. Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач :
1. анализа поляризационных эффектов в интегрально-оптических волноводах общего вида ; систематизированное изучение физических принципов поляризационной селекции излучения ; исследование особенностей конструктивного исполнения и методов анализа поляризаторов интегральной оптики ;
2. разработки нового физического метода поляризационной фильтрации излучения в четырехслойных диэлектрических волноводах специального вида;
3. разработки нового метода разделения ортогональных поляризационных компонент излучения в четырехслойных диэлектрических У-разветвителях оригинальной конфигурации;
4. теоретического исследования поляризационных характеристик планарных и канальных четырехслойных* диэлектрических волноводов и волноводных

Сз = |М3 ; (17)

в воздухе
Ех(у),
Нх(у)
[ 2 (Sl + с‘ ІГ ) ] ехр{кі^~^2 + *»> [І (Яі " с' §Г) ]ехр(Аі^ ” № + А))) >
и искомое дисперсионное уравнение имеет вид
ßi + ^-C, =0.
Дисперсионное уравнение можно преобразовать в более удобный вид :
~-т\ + ^т'- та + т21 + — 0, (18)
Sl 91S4
где mpq - элементы матрицы М = Мг • Мъ ;p,q = 1,2.
Изложенный метод позволяет проанализировать модовую структуру
волновода. Решив трансцендентное дисперсионное уравнение (18) ( непрерывное в всем интервале поиска корней ) теми же методами, которые были использованы для решения уравнений (7) и (8), можно найти константы распространения волноводных мод и с помощью формул (14)-(17) при произвольно выбранной величине Вз получить распределения полей мод.
Модовый состав трехслойных волноводов можно определить с помощью известного дисперсионного уравнения :
arctan у-j + arctan -у J +ir m-kfd = 0, (19)
где ns , и/ , пс - показатели преломления подложки, волновода и покровной
среды, соответственно ; к, = kojN2 - п] ; кс = ко jN2 -п2с ; kf- koJrf-N2 ; т

индекс моды, гр = тр = 1 для ТЕ-мод и гр = —к- ; тр = —для ТМ-мод , dтолщина волиоведущего слоя . Поля мод можно рассчитать :
А,„ cos |kfd - arctan ^rp у- j ^ exp (~kc(y - d)) ,x > d А cos ^kjy - arctan ^rp y-j^,0
(20)
- амплитуда поля в пленке.