2
Содержание
ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
1 ОПТИЧЕСКИЕ ДИСКРЕТНЫЕ СТРУКТУРЫ И МЕТОДЫ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ....................................................15
1.1 ФОТО!ШЫЕ КРИСТАЛЛЫ И СИСТЕМЫ СВЯЗАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ..................................................15
1.2 Формирование стационарных канальных волноводных структур в
ПЛАСТИНАХ НИОБАТА ЛИТИЯ.......................................23
1.3 Оптически наведенные волноводы............................29
1.3.1 Фоторсфрактивный эффект в кристаллах ниобата лития....30
1.3.2 Оптически индуцированные канальные волноводные элементы в планарных оптических волноводах ЫИЬОз...................33
1.3.3 Формирование одно- и двумерных фотонных решеток в объемном кристалле ЭВЫ...........................................40
1.4 ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ.................................47
2 ЛИ11ЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ И ФОРМИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СОЛИТОНОВ В СИСТЕМАХ СВЯЗАННЫХ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ НА ОСНОВЕ ЫМВОз...........................................................49
2.1 Исследование эффектов линейной дискретной дифракции в
КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУРАХ..............................49
2.1.1 Елоховские волны и управление дифракцией..............49
2.1.2 Распространение оптических пучков в квазипериодических системах связанных волноводов...........................63
2.1.3 Распространение оптических пучков в дефектах периодической канальной волноводной структуры.........................68
2.2 Исследование темных дискретных солитонов в периодических
КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУРАХ..............................72
2.2.1 Исследуемые структуры и схема эксперимента............74
3
2.2.2 Экспериментальные результаты и обсуждение...............75
2.3 Исследование дискретных щелевых солитонов в периодических канальных волноводных структурах..............................82
2.3.1 Схема эксперимента......................................83
2.3.2 Экспериментальные результаты и обсуждение...............84
2.4 Исследование условий формирования поверхностных солитонов
НА ГРАНИЦЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗАННЫХ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ И ОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ............................................94
2.4.1 Исследуемые структуры и схема эксперимента..............97
2.4.2 Экспериментальные результаты и обсуждение...............98
2.5 Выводы ПО ВТОРОМУ РАЗДЕЛУ..................................103
3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ФОТОРЕФРАКТИВНОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗАННЫХ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ НА ОСНОВЕ НИОБАТА ЛИТИЯ 106
3.1 Взаимодействие двух параллельных световых пучков в
НЕЛИНЕЙНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗАННЫХ КАНАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ...................................................106
3.1.1 Исследуемые структуры и схема эксперимента.............108
3.1.2 Экспериментальные результаты и обсуждение..............109
3.2 СОЛИТОНЫ ВЫСОКИХ ПОРЯДКОВ.'................................118
3.2.1 Исследуемые структуры и описание схемы эксперимента 119
3.2.2 Экспериментальные результаты и обсуждение..............120
3.3 ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ.................................124
4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВСТРЕЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ФОТОРЕФР АКТИВНОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗАННЫХ ВОЛНОВОДОВ НА ОСНОВЕ НИОБАТА ЛИТИЯ...............................126
4.1 ТЕМНЫЕ И СВЕТЛЫЕ БЛОКИРУЮЩИЕ СОЛИТОНЫ......................126
4.1.1 Исследуемые структуры и схема эксперимента.............127
4.1.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение...........129
4
4.2 Встречное взаимодействие щелевых солитонов.............137
4.2.1 Исследуемые структуры и схема эксперимента..........138
4.2.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение........139
4.3 Выводы по четвертому разделу...........................146
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 150
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................153
5
Введение
Нелинейное распространение света в дискретных волноводных структурах вызывает повышенный интерес в последние годы, как в плане практического использования нелинейно-оптических эффектов, так и в силу тесных аналогий распространения световых пучков в таких структурах и движения электрона в кристаллической решетке. Лежащие в основе физические явления наблюдаются и в других системах, таких как: полупроводниковые сверхрешетки, биологические молекулярные структуры и конденсат Бозе-Эйнштейна с периодическим потенциалом [1].
Пространственная модуляция коэффициента преломления кристалла обуславливает запрет на распространение в объеме материала излучения с длиной волны, сопоставимой с периодом структуры вследствие брэгговской дифракции. Указанное явление приводит к появлению в фотонном энергетическом спектре материала так называемых фотонных запрещенных зон, что дает уникальную возможность управления распространением света, подобно тому, как в полупроводниках можно управлять потоком электронов, и представляет огромный интерес для создания полностью оптических переключателей и элементов обработки информации.
Существенные дисперсионные свойства фотонных кристаллов (оптических материалов с искусственными периодическими структурами субмикронного масштаба) открывают возможности для изготовления суперпризм [2]. Явление отрицательного преломления [3] позволяет преодолеть дифракционный предел и фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны (супсрлинза). Среди нелинейных эффектов, полученных в фотонных кристаллах, можно отметить генерацию высших гармоник, вынужденное рассеяние и самовоздействис световых пучков.
Возможность нелинейной локализации света в периодических структурах связанных оптических волноводов была впервые теоретически обоснована в работе [4], опубликованной в 1988г. Однако первое экспериментальное подтверждение существования таких пространственно
6
локализованных состояний, названных дискретными солитонами, получено лишь десять лет спустя [5] в волноводных решетках на основе материала арсенида галлия (ваАв), который обладает положительной керровской нелинейностью. В последующий период эффекты взаимодействия световых пучков в нелинейных периодических структурах изучались весьма интенсивно.
Так, экспериментально исследованы нормальная и аномальная дискретная дифракция световых пучков, эффекты светлых и темных дискретных пространственных солитонов, а также щелевых солитоиов в волноводных решетках на основе СаАв [5, 6]. Другим объектом исследования явились оптически индуцированные одномерные и двумерные периодические волноводные системы (фотонные решетки) в кристаллах стронций-бариевого ниобата (БВЫ) [7]. Фоторсфрактивная оптическая нелинейность в 8ВК приводит к существенному изменению показателя преломления при мощностях микроваттного уровня, но дрейфовый механизм фоторефрактивного отклика требует приложения к кристаллу электрического поля с напряженностью до 10 кВ/см. В керровских средах нелинейные эффекты самовоздействия света, как правило, связаны с большим уровнем интенсивности оптического излучения (более 109 Вт/см2).
В настоящей работе для изучения эффектов линейного и нелинейного распространения света в системах связанных волноводов был выбран кристалл ниобата лития (ЫМЪОз), обладающий дсфокусирующсй фоторефрактивной нелинейностью. Нелинейные оптические эффекты в ниобате лития проявляются в микроваттном диапазоне оптической мощности, и благодаря сильному фотовольтаическому эффекту не требуется приложения внешнего электрического поля. К достоинствам этого материала также можно отнести долгое время хранения оптически индуцированного изменения показателя преломления (до нескольких лет) и развитые методы создания на его основе канальных волноводных структур.
7
Цель диссертационной работы состоит в выявлении эффектов формирования дискретных пространственных солитонов и их взаимодействия в фоторефрактивных канальных волноводных структурах на основе ниобата лития.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
изготовление фоторефрактивных стационарных канальных волноводных структур высокотемпературной диффузией титана в подложку ниобата лития, в которых возможно формирование дискретных пространственных солитонов;
отработка методики оптической модуляции показателя преломления стационарных волноводных структур, и оптического индуцирования систем связанных канальных волноводов в фоторефрактивных планарных волноводах Ь1№Оз:ТпРе;
экспериментальное исследование линейных и нелинейных эффектов, сопровождающих распространение световых пучков в периодических и квазипериодических системах связанных канальных волноводов на основе иМЮз;
экспериментальное исследование эффектов нелинейного взаимодействия однонаправленных и встречных световых пучков в стационарных волноводных структурах на основе 1ЛМЬ03.
Используемые методы исследований:
В работе использовался комплексный подход, сочетающий известные экспериментальные методы и методы компьютерного моделирования.
Для изготовления экспериментальных образцов применялись технологические методы формирования волноводных структур в ниобате лития диффузией титана. При формировании оптически индуцированных канальных волноводных структур в планарных фоторефрактивных оптических волноводах (ОВ) 1д№>03:Ре:Т1 использовалась двухпучковая
8
схема голографической записи когерентным излучением с длиной волны Х,=532 нм. При экспериментальном исследовании линейных и нелинейных эффектов, связанных с распространением световых пучков в канальных волноводных структурах, применялся торцевой ввод излучения и метод регистрации распределения интенсивности светового поля на выходной плоскости с помощью анализатора лазерных пучков. Для численного моделирования распределения интенсивности светового поля в волноводных решетках использовался известный метод распространяющегося пучка (beam propagation method, ВРМ [8]) в приложении к многоэлементным нелинейным волноводным структурам.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. В планарных фогорефрактивных волноводах LiNb03:Fe:Ti при двух пучковой схеме голографической записи когерентным
излучением с длиной волны Х=532 нм и интенсивностью
_ ^
записывающих пучков более 50 мВт/см“ оптически индуцируются системы связанных канальных волноводов с пространственным периодом Л=-8-20 мкм. В стационарных фоторефрактивных периодических канальных волноводных структурах, созданных диффузией титана в подложку LiNb03 X-среза, оптическая гармоническая модуляция показателя преломления структуры с глубиной модуляции 5-10% приводит к формированию квазипериодических волноводных систем (сверхрешеток).
2. В канальных волноводных структурах, созданных диффузией титана в подложку LiNb03 Х-среза, с пространственным периодом Л-5-15 мкм и приращением показателя преломления в области канала Дяш~10'3 при микроваттом уровне мощности оптического излучения с длиной волны ^-532 нм формируются светлые щелевые пространственные солигоны (при
9
одноэлементном возбуждении волноводной решетки), темные дискретные солитоны (при возбуждении волноводной структуры широким световым пучком с изменением знака поля на обратный в его центре), а также поверхностные солитоны на границе волноводной решетки и подложки (при возбуждении крайнего волновода).
3. В волноводных решетках с периодом Л=8-10 мкм, созданных диффузией титана в подложку ниобата лития Х-среза, при возбуждении световыми пучками (А.=532 нм) мощностью в несколько микроватт соседних волноводных элементов, существуют устойчивые пространственно локализованные состояния в форме солитонов высокого порядка. При возбуждении двух волноводов периодической структуры, разделенных одним канальным волноводом, двумя синфазными световыми пучками с уровнем оптической мощности в единицы микроватт*, в системе формируется оптическая неоднородность, приводящая к концентрации основной мощности лазерного излучения в центральном, волноводе.
4. В канальных волноводных структурах с периодом А=8-10 мкм, созданных диффузией титана в подложку Ы>П>Оз Х-среза, взаимодействие двух встречных щелевых солитонов одинаковой мощности приводит к их взаимному устойчивому пространственному сдвигу в соседние волноводы. Взаимодействие светлого щелевого или темного дискретного солитона с пробным пучком мощностью несколько нановагт, распространяющимся во встречном направлении и пересекающего ось солитона, ведет или к полному изменению направления распространения пробного пучка, или к его частичному отражению • от оптически индуцированного блокирующим солитоном дефекта периодической структуры.
10
Достоверность научных положений и других результатов
диссертационной работы базируется на современных способах экспериментальных исследований и известных методах математического моделирования.
Формирование оптически индуцированных структур в планарных волноводах ЫМЬОз.'ТпРс проводилось при следующих допущениях: погрешность периода интерференционной картины составляла не более 5%, а погрешность определения величины А пе в волноводной области не превышала 20 %. Профили интенсивности световых полей, полученные при многократном повторении экспериментов в проводимых исследованиях диссертационной работы, находятся в согласии (в пределах 10%) с результатами численного моделирования.
Достоверность второго защищаемого положения подтверждается также отсутствием противоречий с теоретическими исследованиями других авторов [9-11]. Достоверность третьего защищаемого положения подтверждается согласием полученных экспериментальных результатов с теоретическими результатами о возможности существования солитонов высших порядков в волноводных решетках с дефокусирующей насыщаемой нелинейностью [12].
Экспериментальные исследования, подобные тем, что представлены во второй главе, проводились независимо другими научными группами [13, 14]. При этом также наблюдались эффекты формирования поверхностных солитонов и светлых щелевых солитонов в стационарных структурах ПЫЬ03:Т1.
Научная новизна защищаемых положений состоит в следующем:
• продемонстрирована возможность формирования периодических систем связанных канальных волноводов с помощью оптической модуляции показателя преломления фоторефрактивных планарных ОВ 1ЛМЬОз:ТкРе;
11
• представлена методика формирования одномерных сверхрешеток с помощью оптической модуляции параметров стационарных волноводных структур 1лКЬОз:ТпРе;
• экспериментально наблюдалось формирование светлых щелевых пространственных солитонов в одномерных фотонных решетках, оптически индуцированных в планарных ОВ 1ЛРЛэ03:'П:Ре;
• экспериментально определены условия формирования темных дискретных солитонов в стационарных канальных волноводных структурах 1лМЮ3:ТкРе;
• экспериментально обнаружено формирование поверхностных щелевых солитонов на границе периодической системы связанных канальных волноводов и однородной среды;
• экспериментально установлена возможность стабильного распространения солитонов высокого порядка, состоящих из двух или трех синфазных дискретных щелевых солитонов в фоторефрактивных периодических структурах с насыщаемой дефокусирующей нелинейностью;
• экспериментально исследованы эффекты взаимодействия двух изначально параллельных, однонаправленных щелевых пространственных солитонов в стационарных волноводных решетках;
• экспериментально обнаружены эффекты частичного или полного отражения (блокировка) маломощного пробного пучка при взаимодействии с темным или светлым блокирующими солигонами в стационарных канальных волноводных структурах 1лМЬОз:ТкРе;
• выявлены эффекты встречного взаимодействия светлых щелевых солитонов, распространяющихся в системе связанных канальных волноводов ЬПЧЮзгТкРе.
12
Научная ценность и практическая значимость положений и других полученных результатов:
• экспериментально подтверждена, предсказанная в теоретической работе [9], возможность существования поверхностных щелевых солитонов на границе однороднодной среды и периодической волноводной структуры с дефокусирующей нелинейностью;
• экспериментально подтверждена, предсказанная в теоретической работе [12], возможность стабильного распространения солитонов высших порядков в волноводных структурах с дефокусирующей насыщаемой нелинейностью;
• установленная возможность формирования в нелинейных системах связанных волноводов на основе ЫЫЪ03 темных дискретных солитонов, поверхностных щелевых солитонов и светлых щелевых солитонов позволяет говорить о потенциальной применимости наблюдаемых явлений, в системах оптической памяти и оптической обработки информации;
• выявленные в ходе экспериментальных исследований эффекты управления световыми пучками при взаимодействии однонаправленных щелевых солитонов, солитонов, распространяющихся во встречных направлениях, а также при взаимодействии темного дискретного блокирующего солитона (либо светлого щелевого блокирующего солитона) с пробным пучком, предполагают возможность использования наблюдаемых явлений для создания оптических разветвителей, переключателей и устройств обработки информации;
• представленные в работе методики оптического индуцирования канальных волноводных элементов в планарных волноводах 1лТ%Оз:'П:Ре, а также оптической модуляции стационарных волноводных решеток, открывают перспективы создания оптических структур со сложной топологией и возможностью их динамической реконфигурации, что имеет важное значение для фундаментальных исследований эффектов линейного и нелинейного распространения света.
13
Апробация Основные положения и другие результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
«Нелинейная оптика жидких и фоторефрактивных кристаллов» (Алушта, Украина, 2004); EOS Topical Meeting on Nonlinear Optics: “From Sources to Guided Waves”, Paris, France, October 2006; 4-ой международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики-2006», С-Петербург, 2006г.; Всероссийских НТК «Научная сессия ТУСУР-2006», «Научная сессия ТУСУР-2007»; Int. Conf. CLEO/Europe 2007, Jule 2007, Munich, Germany; Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics, Minsk; Int. Topical Meeting 2007“ Controlling Light with Light: Photorefractive Effects, Photosensitivity, Fiber Gratings, Photonic Materials and more (PR)”, October 2007, USA.
Полнота изложения материалов диссертации
Основное содержание работы представлено в 17 публикациях, включая 10 статей в центральных отечественных и зарубежных периодических изданиях, рекомендованных ВАК, а также 7 статей в сборниках научных трудов и материалах конференций.
Личный вклад автора
Диссертация является результатом обобщения исследований автора, выполненных непосредственно им в Томском университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) и Техническом университете г. Клаустхаль, Германия. Постановка задач исследований осуществлялась совместно с д.ф.-м.н., проф. В.М. Шандаровым и проф., д-р D. Kip (Германия).
Большинство представленных в диссертации экспериментальных результатов получено автором лично. Автором осуществлялся выбор отдельных направлений исследования, разработка и усовершенствование экспериментальных установок и методик проведения экспериментов. Подготовка схемы эксперимента для записи оптически индуцированных
14
канальных волноводов в планарных OB LiNbCbiFeiTi и экспериментальные исследования (см. подраздел 1.3.2) проводились под руководством д.ф.-м.н., проф. В.М. Шандарова. Исследования по формированию сверхрешеток оптической модуляцией показателя преломления стационарных канальных волноводных структур (см. подраздел 2.1.2) выполнялись совместно с К.В. Шандаровой. Помощь в изготовлении экспериментальных образцов оказывал Ch. Reuter (Германия). Численное моделирование, анализ и обобщение полученных результатов проводилось совместно с Я. Карташовым (Испания), Ch. Reuter и М. Stepic (Сербия).
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов по работе, содержит 163 страниц машинописного текста, 65 рисунков и список литературы в количестве наименований 110.
- Київ+380960830922