Исследование интегрально-оптических элементов для квантовой криптографии с фазовым кодированием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правая рукописи

КУЛИШ Ольга Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНО - ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ С ФАЗОВЫМ КОДИРОВАНИЕМ 01.04.05—оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Краснодар—2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования

(ГОУ ВПО) «Кубанский государственный университет» •

Научный руководитель: заслуженный тобрртятель

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор ЯКОВЕНКО Николай Андреевич.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ЛЕБЕДЕВ Валерий Андреевич,

доктор технических паук,

профессор СОКОЛОВ Сергей Викторович.

Ведущая организация; ГОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет».

Защита состоится 30 июня 2005 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д212Л01.07 в ГОУ ВПО .Кубанский государственный университет по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, КубГУ, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный университета

Автореферат разослан .....мая 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета^

окнмов АЛ.

3 5

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Возрастающие потребности общества в высокопроизводительных и надежных оптических системах обработки и передачи конфиденциальной информации стимулируют научные исследования по созданию и совершенствованию их элементной базы на основе новейших достижений в области физики квантовой информации. Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений криптографии в настоящее время является квантовая криптография, современный этап развития которой характеризуется созданием оптических систем передачи квантовой информации. Безопасность информации, передаваемой по квангово-криптографическому каналу связи, обусловлена физическими принципами квантовой механики.

Для передачи случайной последовательности бит, которую используют в качестве ключа в симметричных криптосистемах, разработаны оптические квантово-криптографические установки двух основных видов: с кодированием поляризационных состояний фотонов, и с фазовой модуляцией, и последующим интерферометрическим детектированием фотонов. Если информация передается с помощью оптических волоконных линий связи, то предпочтительно применение второго вида квантово-криптографических установок.

Основой конструкции квантово-криптографических установок с фазовым кодированием являются два разбалансированных интерферометра Маха-Цендера, соединенных волоконно-оптической линией связи. Разбалансированность интерферометров необходима для временного выделения интерференционного максимума и составляет

0,5 м.

Практическая реализация данной схемы сталкивается с рядом проблем: для получения интерференции на выходе оба интерферометра должны быть идентичны с точностью до единиц микрометров, в такой системе возникает значительный дрейф фазы, что требует ее термостабилизации. Кроме того, для получения четкой интерференционной картины в системе интерферометр-волокно-интерферометр должно бьпъ низкое двулучепреломление. Решение этих трудностей на элементной базе современной волоконной оптики является очень сложной задачей. Применение интегрально-оптической технологии позволяет создать интерферометры с требуемой точностью геометрических параметров, а также значительно уменьшить размеры оптического устройства, что значительно облегчает и упрощает его термостабилизацию.

Учитывая тот факт, что обыкновенные волоконно-оптические световоды телекоммуникационных систем не поддерживают постоянной поляризацию оптических сигналов, простая схема квантовой криптографии с фазовым кодированием может быть модифицирована для достижения более четкой интерференционной картины и снижения количества ошибок при передаче информации. Это требует введения поляризационных элементов - расщепителей и преобразователей поляризации.

Известные интегрально-оптические расщепители поляризации создаются на основе следующих физических принципов: эффекта мо-довой селекции в асимметричных У-разветвителях и резонансной связи оптических волн, реализуемой в устройствах на основе диэлектрических направленных ответвиталей. Большинство конструктивных разработок требуют использования составного волновода с разнотипными материалами сердцевин, что является технологически сложной

задачей и приводит к потерям мощности излучения. Поэтому актуальной является задача создания простых, эффективных и универсальных пространственных разделителей поляризации. Исследования, направленные на решение этой задачи, могут быть самого разного плана - как в сфере поиска оригинальных принципов построения разделителей поляризации на основе стандартной элементной базы интегральной оптики, так и в области поиска принципиально новых физических эффектов.

Изложенное свидетельствует об актуальности проведения исследований с конечной целью разработки интегрально-оптических элементов для систем оптической квантовой связи.

Цель работы.

Целью настоящей работы являлось исследование и физико-математическое моделирование интегрально-оптических элементов и схем квантовой криптографии с фазовым кодированием Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач:

1. анализа основных путей построения надежных и эффективных волоконно-оптических систем квантовой криптографии с фазовым кодированием;

2. выработки требований к параметрам оптических интерферометров, которые являются ключевыми элементами таких систем: модовому двулучепреломлению, уровню радиационных потерь импульсных сигналов, стабильности однополяризаци-онного режима, технологической возможности изготовления двух идентичных по оптико-физическим характеристикам образцов, температурной и временной стабильности;

3. проведения геометрического анализа различных схемотехнических вариантов построения интегрально-оптической линии задержки;

4. построения полной векторной физико-математической модели высоко несбалансированного квантового интерферометра Ма-ха-Цендера со спиралевидной линией задержки с учетом особенностей конструктивного исполнения элементов и устройств интегральной оптики с различными технологиями изготовления;

5. исследования физических принципов разделения ортогональных поляризационных компонент излучения и особенностей распространения направленных оптических волн в металлоди-электрических многослойных волноводах;

6. разработки нового физического метода разделения ортогональных поляризационных компонент излучения на основе ме-таллодиэлектрического интерферометра Маха-Цендера.

Объест и предмет исследования.

Объектами исследования являются интегрально-оптический квантовый интерферометр и интегрально-оптические пространственные разделители поляризации. Предмет исследования - физико-математические модели оптических элементов.

На защиту выносятся;

1. Результаты физико-математического моделирования интегрально-оптического элемента фазового кодирования и декодирования для систем квантовой криптографии на основе несбалансированного оптического квантового интерферометра Маха-Цендера с двойной

спиралевидной линией задержки в одном из плеч (оптическая разность хода плеч ~ 0.5 м), обосновывающие возможность практического применения таких элементов.

2. Результаты электродинамических расчетов компонентов квантового оптического интерферометра, реализованного средствами интегральной оптики, и, исходя из требований организации квантового канала связи, определяющие конкретные требования к их схемотехническим и оптико-физическим параметрам.

3. Физико-математическая модель и оптическая схема нового пространственного разделителя ТЕ/ТМ-поляризаций на основе метал-лодиэлектрического волноводного двухпучевого интерферометра в стекле, применяющая физический эффект модового двулучепре-ломления.

4. Методики проектирования интегрально-оптических элементов и волноводных межсоединений, основанные на полном векторном конечно-элементном анализе распространения направленных электромагнитных волн, адаптированные для расчета элементов интегральной оптики квантовой криптографии.

Практическая ценность.

В работе получены результаты, которые доказывают возможность практического применения интегрально-оптических интерферометр ических элементов для систем оптической квантовой связи, определены требования к основным параметрам элементов, построена общая физико-математическая модель функционирования квантового интерферометра и схемы оптической связи на его основе, разработан новый элемент пространственного разделителя поляризаций и получены результаты его физико-математического моделирования.

Результаты проведенных исследований могут быть непосредственно использованы для создания интегрально-оптических модулей фазового кодирования информации, а также пространственных разделителей поляризаций с целью работы в составе оптоэлектр онных систем квантовой конфиденциальной связи (в том числе с поляризационной коррекцией) и обработки информации.

Разработанные в ходе выполнения работы методики на основе метода конечных элементов для расчета и анализа волноводных структур являются основой компьютерной системы автоматизированного проектирования интегрально-оптических схем.

Научная новизна,

1. Разработана физико-математическая модель интегрально-оптического двухлучевого высоко несбалансированного интерферометра с двойной спиралевидной линией задержки для всех основных типов микроволноводов' волноводной оптоэлектроники, имеющих различные технологии изготовления.

2. Разработаны методики оптимизации схемотехнических вариантов линии задержки и расчета потерь мощности излучения во всех компонентах оптического интерферометра (без введения упрощающих задачу ограничений), в том числе для распространения импульсного сигнала произвольной длительности; построена картина распространения оптических сигналов; созданы методики оценки требований к величине двулучепреломления волноводов интегрально-оптической схемы, исходя из видносги интерференционной картины сеанса связи; разработаны методики расчета поляризационных характеристик интерферометра.

3. Установлено, что модовое двулучепреломление многослойных металлодголектрических еолноводов может быть использовано для создания интегрально-оптического устройства на основе стекла, разделяющего поляризационные компоненты оптического излучения. Предложена новая оптическая схема пространственного разделителя ортогональных поляризационных компонент оптического излучения на основе двухлучевого интерферометра Маха-Цендера в стекле с введением металлодаэлектрического волновода в одно из плеч; построена физико-математическая модель соответствующего оптической схеме интегрально-оптического элемента.

4. Разработаны методики проектирования интегрально-оптических элементов для волоконно-оптических систем передачи информации, основанные на полном векторном конечно-элементном анализе распространения электромагнитных волн, адаптированные с учетом специфики физических принципов квантовой криптографии.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научных семинарах физико-технического факультета Кубанского государственного университета, были представлены на Международных и Всероссийских конференциях: XXIX и XXXI Международных конференциях «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф 2002 г., 2004 г.), Второй Международной конференции молодых ученых в области физики (Украина, Киев 2002 г.), Девятой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2004 г.), Международной конференции "При-

кладная оптика-2004" (Санкт-Петербург, 2004 г.), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике "КХЖО-2005" (Санкт-Петербург, 2005 г.).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 публикациях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 98 наименований. Общий объем работы составляет 173 страницы и включает в себя 58 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе ("Физические и схемотехнические принципы квантовой передачи информации по оптическим каналам связи") дан обобщенный литературный обзор математических и физических методов защиты информации. Определены основные проблемы классической криптографии, следствием которых является актуальность создания физического канала передачи информации, где секретность обусловлена законами квантовой механики. Рассмотрены физические принципы, лежащие в основе различных вариантов оптических систем квантовой криптографии. Классифицированы протоколы передачи конфиденциальной информации по оптическому квантовому каналу.

Выявлены основные проблемы на пути создания еолоеонко-опгаческих систем гсюнтоеой криптографии с фазовым кодированием и определены общие требования к элементам и устройствам, используемых в этих системах.

В параграфе 1.1 ("Оптическое поляризационное кодирование в квантовой криптографии") исследован современный уровень развития технологий защиты информации, основные проблемы математических методов кодирования и преимущества квантовых методов передачи конфиденциальной информации. Рассмотрены принципы формирования случайного набора бит, которые могут быть использованы в качестве кодирующего ключа для симметричных криптографических систем. Приведены свойства кубита, лежащие в основе создания протоколов для оптических кванпгово-криптографических систем.

Исследованы принципы работы и основные недостатки систем квантовой передачи информации с поляризационным кодированием фотонов. Описано применение протокола формирования секретного ключа, основанного на поляризации оптического излучения. Отмечена возможность применения данных систем для передачи информации по открытому оптическому каналу.

В параграфе 1.2 ("Оптическое фазовое кодирование в квантовой криптографии") рассмотрены преимущества оптических систем передачи квантовой информации с фазовым кодированием фотонов. Исследованы принципы работы данных систем и преобразования кубита информации, происходящие в основных оптических элементах. Приведено применение протокола формирования секретного ключа для фазового кодирования фотонов. Подробно описано распространение фотона по оптической квантовой системе связи и получение интерференции на выходе системы с помощью понятия волн вероятности

и аппарата квантовой оптики. Рассмотрены принципы работы систем «Plug and Play» как частного случая оптических квантово-криптографических систем с фазовым кодированием, отмечены их основные недостатки и возможности криптографической атаки на оптические системы, содержащие элементы "с высоким коэффициентом отражения.

В параграфе 1.3 («Волоконно-оптические компоненты квантовой криптографии с фазовым кодированием») дано описание требований, налагаемых на системы передачи оптической квантовой информации основными принципами квантовой механики. На основе расчетов видности интерференционной картины показано, что рассогласование оптических путей волны в двулучевых интерферометрах для систем фазового кодирования не должно превышать нескольких длин волн оптического излучения. Проведен анализ влияния коэффициентов разделения сигнала в оптических разделителях на водность интерференционной картины, который показывает необходимость точного разделения интенсивности волны в двулучевых интерферометрах в отношении 50:50.

Вторая глава ("Моделирование и расчет оптических элементов и схем фазового кодирования для квантовых систем связи") посвящена разработке физико-математической модели микроволновод-ного двухлучевого интерферометра со спиралевидной линией задержки для оптических систем передачи квантовой информации (рис. 1).

Рис. 1 Схема микроволноводного двухлучевого интерферометра со спиралевидной линией задержки.

Расчет данной волноводной структуры важен также для разработки интегрально-оптических сенсорных устройств, моделирование спиралевидной волноводной линии можно использовать для создания усилителей оптического излучения.

Рассчитаны геометрические параметры спиралевидной линии задержки, входного и выходного разветвителей интерферометра. Проанализирована возможность создания в одном из плеч интерферометра фазового модулятора на основе электрооптического и термооптического эффекта. Проведена оценка потерь мощности в спиралевидной линии задержки и разветвителях интерферометра в зависимости от радиуса изгиба и других оптико-физических параметров трехмерных волноводов, в том числе для распространения импульсного сигнала произвольной длительности и с учетом зависимости радиационных потерь от поперечного смещения волноводов при межсоединении различных компонентов схемы. Исследовано влияние поляризационных характеристик волноводов на вещность интерференционной картины.

В параграфе 2.1 ("Оптический микроволноводный интерферометр со спиралевидной линией задержки: общие вопросы разработ-

I® и расчет схемотехнических вариантов построения") впервые проведены расчеты геометрических параметров интегрально-оптической спиралевидной линии задержки различной конфигурации и показана возможность получения волноводной линии общей длиной порядка 0.5 м на подложке размером 5x5 см. Результаты геометрических расчетов линейных размеров подложки для реализации интерферометра при оптимальном схемотехническом варианте линии задержки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Линейные размеры волноводного интерферометра

Число витков спирали Радиус спирали, м. Линейные размеры подложки, м.

2 0.0139 0.0695

3 0.0108 0.054

4 0.0088 0.044

5 0.0075 0.0375

Рассмотрены параметры волноводов, полученных различными технологиями интегральной оптики, и определены технологии изготовления и материалы волноводов, обеспечивающие наименьшие радиационные потери оптического сигнала.

В параграфе 2.2 ("Расчет и оптимизация волноводной структуры интерферометра") проведены электродинамические расчеты всех элементов интегрально-оптического интерферометра, включающего в себя спиралевидную линию задержки, асимметричный и симметричный У-разветвители с применением Б-изгибов. В результате впервые была получена информация о радиационных потерях в интегрально-оптическом элементе для всех основных типов микроволноводов.

Достоверность расчетов радиационных потерь обуславливалась применением трех независимых универсальных численных методик, не обладающих ограничениями на радиус кривизны и другие оптико-физические параметры волновода: метод аппроксимации электромагнитного поля специальными функциями Ханкеля и Бесселя; метод конформного отображения с дальнейшим анализом эволюции световой волны в прямолинейном волноводе методом распространяющегося пучка вдоль мнимой оси; конечно-элементный метод решения волнового уравнения в полярных и цилиндрических координатах с введением идеально согласованного слоя (РМЬ). Результаты применения трех независимых численных методов имели рассогласование в пределах 5%.

Получены зависимости величины потерь от радиуса изгиба волновода при варьируемой величине приращения показателя преломления волноведущего слоя для различных типов канальных волноводов интегральной оптики. Проведена оценка радиационных потерь во внутреннем Б-изгибе спирали с учетом оптимального смещения волноводов в точке перегиба, а также в 90° -асимметричном и симметричном У- разветвителях на основе Б-изгибов.

Картина распределения напряженности электрического поля направленной электромагнитной волны в поперечном сечении трехмерных изогнутых интегрально-оптических волноводов получена методом конечных элементов (рис. 2). Данная методика позволяет одновременно рассчитать мнимую часть константы распространения вол-новодной моды, определяющей радиационные потери.

(а)

990 995 1000 1005 1010

(Д) г, мкм

Рис. 2 Пространственное распределение основной радиальной компоненты вектора напряженности электрического поля фундаментальной моды ТЕ0 типовых интегрально-оптических волноводов:

а) гребневого канального волновода;

б) погруженного канального волновода.

Основные результаты расчетов заключаются в следующем: общие суммарные радиационные потери 0,05 дБ для длины волны оптического излучения 1,3 мкм схема имеет при линейных размерах подложки порядка 3 см и приращении показателя преломления волнове-дущего слоя Дп ~ 0,01. Для оптического излучения с длиной волны 1,5 мкм и таким же значением Дп линейные размеры подложки при поте-

рях 0,05 дБ должны быть 4,5 см. Конструкция интерферометра может быть создана путем ионного обмена в стеклянных подложках. Применение резко-неоднородных волноводов с высоким Дп (-0,1) дает возможность получить очень компактные схемы, имеющие размеры менее 0,5 см практически при отсутствии вносимых потерь. Такие интерферометры могут быть созданы с применением технологий интегральной оптики, использующих полупроводниковые материалы.

Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о возможности применения предлагаемой конструкции оптического микроволно-водного интерферометра для криптографических систем с фазовым кодированием оптического сигнала.

В параграфе 2.3 ("Пространственно-временная характеристика распространения импульсного оптического сигнала в квантовом интерферометре") впервые проведена оценка уровня потерь импульсного оптического сигнала в изогнутых волноводах. При расчетах радиационных потерь был использован подход, опирающийся на физико-математическое моделирование распространения импульса гауссовой формы в диспергирующих средах. Однако данный подход был трансформирован с учетом процедуры конформного отображения, применяемого для упрощения расчетов изогнутых волноводных структур. Расчеты показали, что для импульсов порядка 10 фс существует достаточно большое различие между потерями импульсного и монохроматического излучения. Для импульса продолжительностью 100 фс данная зависимость выражена значительно слабее и для малых длин интегрально-оптического волновода потери импульсного источника и непрерывного оптического излучения практически совпадают.

В параграфе 2.4 ("Исследование влияния поляризационных характеристик оптического квантового кодера на видность интерфе-

ренционной картины") проведена теоретическая оценка видности интерференционной картины для рассматриваемого интерферометра. Это имеет значение, так как поляризация оптического излучения на выходе оптического канала связи является произвольной, случайно меняющейся величиной. Так как фазовые скорости ТЕ- и ТМ-мод по причине модового двулучепреломления различны, следовательно, видность интерференционной картины не может бьгть равна 100%. Это накладывает чрезвычайно жесткие требования к оптико-физическим параметрам волноводов. Постоянные распространения волноводных мод определялись полным векторным методом конечных элементов с применением специальных тангенциальных треугольных элементов.

Были проведены расчеты зависимости разности показателей преломления волноводного слоя и подложки от величины модового двулучепреломления для всех базовых типов интегрально-оптических волноводов и сделан вывод о том, что без дополнительных мер внешней подстройки в таких схемах могут функционировать только оптические волноводы в стекле и полимерных материалах с низкими значениями перепадов показателей преломления волноведущего слоя и смежных сред, включая подложку - менее МО"2. Волноводы с высоким перепадом показателей преломления волноведущего слоя и смежных сред использовать в качестве интерферометра без специального подбора их геометрической формы проблематично. Альтернативным вариантом может быть использование дополнительного интегрально-оптического блока разделения и преобразования оптических.поляризаций.

В третьей главе ("Исследование принципов построения и расчет оптических поляризационных элементов для квантовой криптографии") обоснована необходимость поляризационного согласования

интерферирующих волн для получения высокой ввдности интерференционной картины на выходе двухлучевого интерферометра. Рассмотрена схема фазового кодирования оптического сигнала с преобразователями поляризации и модифицированная схема с поляризационным расщепителем и преобразователем поляризации, построенная на интегрально-оптических элементах. Предложены две новых конструкции интегрально-оптических пространственных разделителей волно-водных мод.

В параграфе 3.1 («Пространственное разделение ТЕ- и ТМ-волн в интегрально-оптическом У-разветвителе на основе диэлектрических изотропных слоев») рассмотрены физические принципы разделения поляризаций в асимметричном У-разветвителе и практические возможности реализации этих принципов. Предложена новая конструкция расщепителя оптических волноводных мод (рис. 3).

Рис. 3 Схема интегрально-оптического У-разветвителя на основе диэлектрических изотропных слоев.

Эффективный оптический элемент для пространственного разделения различных поляризационных компонент оптического излучения может быть создан на основе асимметричного У-разветвителя с использованием канальных волноводов в стекле, покрытых высоко-преломляющей диэлектрической пленкой. Принцип работы оптиче-

ского элемента основан на значительном модовом двулучепраломле-нии четырехсложного У-разветвителя из изотропных слоев со специально подобранными параметрами. Искусственная анизотропия сформирована путем сочетания слабонаправляющего и резко-неоднородного волноводов. Для подтверждения предлагаемого способа разделения поляризаций и с целью определения параметров расщепителя анализ проводился методом распространяющегося пучка.

Эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод на выходе каналов, составляет 28 дБ для ТЕ-поляризованных волн и 25 дБ для ТМ-поляризованных волн, вносимые потери для обеих поляризаций не превышают 0.05 дБ.

В параграфе 3.2 («Моделирование и расчет нового оптического разделителя ТЕ/ТМ поляризаций на основе металлодиэлектрическо-го волноводного двухлучевого интерферометра») предложена новая схема расщепителя оптических волноводных мод на основе двухлучевого интерферометра Маха-Цендера с введением металлической пленки и буферного слоя в одно из плеч (рис. 4).

Рис.4 Схема поляризационного расщепителя на основе двухлучевого интерферометра Маха-Цендера в стекле.

Принцип работы расщепителя основан на поляризационно-зависимом сдвиге фаз направленных волн при прохождении обоих плеч интерферометра, приводящем к направлению ТМ- и ТЕ- волн в различные выходные порты выходного направленного ответеителя интерферометра. Для ТЕ-волн время распространения по обоим плечам интерферометра должно быть одинаково, а для ТМ-волн оно должно быть таким, чтобы сдвиг фаз между волнами, приходящими во входные порты направленного ответвителя был смещен относительно фазового сдвига ТЕ-волн на п. Поляризационная чувствительность временной задержки проховдения оптической волны достигается введением в одно из плеч интерферометра металлической пленки и буферного слоя.

Рассмотрены физические принципы работы предлагаемого поляризационного расщепителя. Проведен расчет эффективного показателя преломления для фундаментальной ТМ0- и ТЕ0-моды металлоди-электрического оптического волновода с буферным слоем методом конечных элементов.

Для подбора параметров оптического элемента варьировались толщина и показатель преломления буферного слоя, толщина металлической пленки и тип металла. Получены зависимости разности эффективных показателей преломления плеч волноводного интерферометра и потерь мощности от толщины буферного слоя металлодиэлек-трического волновода отдельно для ТЕ- и ТМ-волн. Подобраны оптимальные толщины металлического и буферного слоев. На рисунке 5 приведены зависимости разности эффективных показателей преломления фундаментальных мод металлодиэлектрического волновода и волновода с идентичными параметрами, но не имеющего металлической

пленки (ДМ), и потерь мощности (т)) от толщины буферного слоя ме-таллодиэлектрического волновода (ёь). Результаты расчета показали, что для организации необходимого для развязки оптических мод сдвига фаз, длина металлической пленки должна быть порядка 1,5 см, толщина - 20 нм, толщина буферного слоя - 0,6 мкм.

Эффективность развязки между каналами поляризационного расщепителя при этом будет составлять 17 дБ для ТЕ-поляризованных

ал 0.0 07 0.8 09 1

(^.мкм

•<Ь>

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

йь,иш

Рис. 5 Совмещенная зависимость разности эффективных показателей преломления плеч волноводного интерферометра и потерь мощности от толщины буферного слоя металлодиэлектрического волновода.

Проанализировано распространение оптического сигнала в выходном направленном ответвителе поляризационного расщепителя с использованием метода распространяющегося пучка. В результате получена картина распространения направленных волн в расщепителе при различных фазовых соотношениях волн на его входах.

Низкие потери, на уровне 1 дБ, дают возможность применять предложенный оптический элемент в системах передачи квантовой информации. Расщепитель имеет простую технологию изготовления и может применяться и в других системах оптической обработки информации.

В параграфе 3.3 («Экспериментальное исследование инге-грально-оптического поляризационного разделителя ТЕ- и ТМ-волн интерференционного типа») для подтверждения разделения поляризаций в поляризационном расщепителе интерференционного типа была проведена серия экспериментальных исследований. С целью имитации конструкции предложенного поляризационного расщепителя была создана оптическая схема интерферометра Маха-Цендера, в одно плечо которого входил канальный металлодиэлектрический волновод. Путем фотометрии анализировалась интерференционная картина для ТЕ- и ТМ-волн, по которой можно было бы судить о сдвиге фаз между ними, вносимом в волноводе, покрытом металлической пленкой.

Результаты исследования сформированных на одной стеклянной подложке набора 10 металлодиэлектрических ионообменных волноводов с длиной металлической пленки у разных каналов от нуля до 8 миллиметров состоят в следующем: уровень отношения сигнала для ТЕ- и ТМ-поляризованных волн менялся от канала к каналу; относительные пределы изменения составляли от 0 до 10 дБ.

Результаты измерений поляризационных характеристик подтвердили результаты теоретических прогнозов. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что металлическая пленка влияет на фазовую скорость ТМ-волн без особого влияния на ТЕ-волны, что может служить доказательством работоспособности предложенной конструкции поляризационного расщепителя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана физико-математическая модель интегрально-оптического двухлучевого интерферометра для систем квантовой криптографии. Высоко разбалансированный интерферометр Маха-Цендера (разность длин плеч 0,5 м) может быть создан на стеклянной подложке размером не более 5x5 см с линией оптической задержки в одном из плеч в форме двойной спирали, имеющей 2-3 витка (расстояние между витками 20+50 мкм). Созданы модели всех элементов трехмерной интегрально-оптической схемы интерферометра, включающей в себя оптическую спиралевидную линию, асимметричный и симметричный У-разветвитеяи оптического излучения с применением Б-изгибов. Построена картина распространения оптического излучения в интерферометре.

Общие суммарные радиационные потери 0,05 дБ для длины волны оптического излучения 1,3 мкм схема имеет при линейных размерах подложки порядка 3 см и приращении показателя преломления волноведущего слоя Дп ~0,01. Для оптического излучения с длиной волны 1,5 мкм и таким же значением Дп линейные размеры подложки при потерях 0,05 дБ должны быть 4,5 см. Интерферометр может быть сформирован путем ионного обмена в стеклянной подложке. Приме-

нение резко-неоднородных волноводов с высоким Дп (~0,1) дает возможность на базе полупроводниковой интегральной оптики создать компактные схемы, имеющие размеры менее 0,5 см практически при отсутствии вносимых оптических потерь.

2. Построена нестационарная картина распространения импульсного оптического сигнала в интерферометре. Для импульсных сигналов порядка 10 фс существует достаточно большое различие радиационных потерь в изогнутых волноводах при импульсном распространении оптического излучения от потерь непрерывного монохроматичного источника. Однако для импульса продолжительностью 100 фс данная зависимость выражена значительно слабее и для малых длин (менее 1 м) потери импульсного источника и непрерывного оптического излучения практически совпадают.

3. Показано, что в интерферометрических схемах фазового кодирования по причине жестких требований к величине модового двулуче-преломления 10'6) должны использоваться только оптические волноводы в стекле и полимерных материалах с низкими значениями перепадов показателей преломления волноведущего слоя и смежных слоев - менее 1-Ю"2. Волноводы с высоким перепадом показателей преломления волноведущего слоя и смежных сред использовать в качестве интерферометра без специального подбора их геометрической формы, компенсирующей двулучепреломление, не представляется возможным. Альтернативой, позволяющей их применение, является использование дополнительного интегрально-оптического блока поляризационной коррекции, либо применение однополяризационных волокон в качестве физической среды передачи квантовой информации.

4. Установлено, что поляризационные характеристики многослойных металлодиэлектрических волноводов могут быть использованы

дога создания интегрально-оптического разделителя поляризаций. Предложена и обоснована новая схема оптического поляризационного расщепителя волноводных мод на основе двухлучевого интерферометра Маха-Цецдера в стекле. Построена физико-математическая модель соответствующего оптической схеме интегрально-оптического устройства. Принцип работы схемы основан на поляризационно-зависимом сдвиге фаз направленных волн при прохождении обоих плеч интерферометра при низких потерях мощности оптического излучения для обеих поляризаций. Одно плечо интерферометра включает в себя металлодиэлекгрический волновод с подобранными параметрами. Схема может быть использована в системах квантовой криптографии с фазовым кодированием и поляризационной коррекцией. Результаты расчетов показали, что для одномодового ионообменного волновода в стекле со стандартными параметрами оптимальная толщина буферного слоя с показателем преломления 1,457 составляет 0,6 мкм, а необходимый сдвиг фаз достигается при длине металлической пленки 1,5 см и толщине 20 нм (длина волны 1,3 мкм). Эффективность развязки между каналами при этом составляет 17 дБ для ТЕ-волн при 100% развязке для ТМ-волн.

5. Разработана оптическая схема устройства для пространственного разделения различных поляризационных компонент оптического излучения, которое может быть создано на основе асимметричного У-разветвителя с использованием канальных волноводов в стекле, покрытых высокопреломляющей диэлектрической пленкой. Принцип работы основан на значительном модовом двулучепреломлении четы-рехслойного У-разветвигтеля из изотропных слоев со специально подобранными параметрами. Искусственная анизотропия сформирована путем сочетания слабонаправляющего (Дп~0.01) и резко-

неоднородного (Дп~0.1) волноводов. Построена физико-математическая модель разделения ТЕ- и ТМ-волн в У-разветвителе.

Эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод на выходе каналов 1 и 2, составляет 28 дБ для ТЕ-поляризованных волн и 25 дБ для ТМ-поляризованных волн, вносимые потери для обеих поляризаций не превышают 0.05 дБ (длина волны 1,3 мкм).

б. Созданы методики проектирования интегрально-оптических элементов и волноводных межсоединений, основанные на полном векторном конечно-элементном анализе распространения электромагнитных волн и учитывающие специфику протоколов квантовой криптографии.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. О.A. Culish, М. М. Vekshin, N.A. Yacovenko "Highly unbalanced integrated-optic interferometer design for quantum cryptography systems" Technical Digest of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics "ICONO-2005", St. Petersburg, 2005, paper ISuS 10

2. M. M. Vekshin, O.A. Culish, N.A. Yacovenko "Integrated-optic metal-clad channel waveguides: three-dimensional simulation and sensitivity considerations"//Proceedings of SPIE, 2002, V.4900, P. 447-450

3. Векшин М.М., Кулиш О.А., ЯкоЕенко Н.А. "Пространственное разделение ТЕ- и ТМ-волн в интегрально-оптическом развег-вителе на основе диэлектрических изотропных слоев"// Автометрия, 2004,40, N4, С.50-56

4. Бондаренко С.Г., Векшин М.М., Кулиш О.А., Яковенко Н.А "Пространственный оптический разделитель ТЕ- и ТМ-волн на основе меташгодиэлекгрического двухлучевого волновод-ного интерферометра"// Микросистемная техника, 2004, N12, С. 31-34

5. Векшин М.М., Кулиш О.А., Яковенко Н.А. Поляризационный анализ гибридных направленных волн элементов интегральной оптики // Труды XXIX Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации». Украина, КрЫм, Япта-ГУрзуф, 2002 г, С.181-182

6. Vekshin М.М., Culish О.А. bitegrated-optic polarizers on four-layer optical waveguide // Proceedings of Second International Young Scientists's Conference on Applied Physics. Ukraine, Kiev, 2002, P.33-34

7. Векшин M.M., Кулиш O.A., Яковенко H.A. Расчет несбалансированного микроволноводного интерферометра для систем квантовой криптографии // Труды XXXI международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации». Украина, Крым, Ялта-Гурзуф,

2004 г, С.204

8. Векшин М.М., Кулиш O.A., Яковенко H.A., "Расчет несбалансированного микроволноводного интерферометра дня систем квантовой криптографии"// Труды 9 Международной научно-техн. конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 2004,4.2,

С. 102

9. O.A. Кулиш, М.М. Векшин, H.A. Яковеш«^ Пространственный разделитель ТЕ- и TM-волн на основе металлодиэлектри-ческого интегрально-оптического интерферометра// Международный оптический конгресс "Оптика - XXI век, труды конференции "Прикладная оптика-2004", Санкт-Петербург, 2004, С. 154

10. Кулиш O.A. Векторный анализ изгибов оптических световодов методом конечных элементов// Материалы 3 межведомственной научно-технической конференции. Том I «Проблемы совершенствования систем защиты информации и образовательных технологий подготовки военных специалистов». КВИ, Краснодар, 2002, С.174-176

11. Векшин М.М., Кулиш O.A., Яковенко H.A. Интегрально-оптический рефрактометр на основе канального металлоди-электрического волновода: трехмерное моделирование// Научно-образовательный и прикладной журнал «Экологический

Еестншс научных центров Черноморского Экологического Сотрудничества» Краснодар, КубГУ, 2003, N1, С. 29-32

12. Кулиш O.A. Разностная аппроксимация двумерного волнового уравнения для расчета модовой структуры световодов // Межвузовский сборник научных трудов «Проблемы совершенствования систем защиты информации и образовательных технологий подготовки военных специалистов», КВИ, Краснодар, 2003, №4, С.159-161

13. Векшин М.М., Кулиш O.A., Яковенко H.A., Бондаренко С.Г. "Пространственный разделитель ТЕ- и TM-волн на основе ме-таллодиэлектрического волноводного двухлучевого интерферометра" // Депонент в ВИНИТИ N 917 - В2004 от 31.05.2004, Кубанский университет, г. Краснодар

14. Кулиш O.A., Векшин М.М. Полный векторный анализ волоконных световодов, используемых в технических системах обработки информации Н Межвузовский сборник научных трудов «Проблемы совершенствования систем защиты информации» КВИ, Краснодар, 2002, № 3, С.116-119

15. Кулиш O.A. Применение конформного отображения для анализа потерь на изгибах волноводов // Межвузовский сборник научных трудов «Проблемы совершенствования систем защиты информации и образовательных технологий подготовки военных специалистов», КВИ, Краснодар, 2004, С.104-108

16. Векшин М.М., Кулиш О.А., Яковенко Н.А "Расчет микрооптического квантового интерферометра со спиралевидной вол-новодной линией задержки" // Депонент в ВИНИТИ N 1482 -В2004 от 21.09.2004, Кубанский университет, г. Краснодар

17. Векшин М.М., Яковенко Н.А., Кулиш О.А. Полный векторный расчет элементов интегрально-оптических схем // Труды третьей Всероссийской научной конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» Вып. 14. ТГИ им. Г.Р.Державина, Тамбов, 2001 г., С.14

РНБ Русский фонд

2007-4 10639

Введение.

1. Физические и схемотехнические принципы квантовой передачи информации по оптическим каналам связи.

1.1 Оптическое поляризационное кодирование в квантовой криптографии.

1.2 Оптическое фазовое кодирование в квантовой криптографии.

1.3 Волоконно-оптические компоненты квантовой криптографии с фазовым кодированием.

Выводы к главе 1.

2. Моделирование и расчет оптических элементов и схем фазового кодирования для квантовых систем связи.

2.1 Оптический микроволноводный интерферометр со спиралевидной линией задержки: общие вопросы разработки и расчет схемотехнических вариантов ф построения.

2.2 Расчет и оптимизация волноводной структуры интерферометра.

2.3 Пространственно-временная характеристика распространения импульсного оптического сигнала в квантовом интерферометре.

2.4 Исследование влияния поляризационных характеристик оптического квантового кодера на видность интерференционной картины.

Выводы к главе 2.

3. Исследование принципов построения и расчет оптических поляризационных элементов для квантовой криптографии.

3.1 Пространственное разделение ТЕ- и ТМ-волн в интегрально-оптическом Y-разветвителе на основе диэлектрических изотропных слоев.

3.2 Моделирование и расчет нового оптического разделителя

ТЕ/ТМ поляризаций на основе металлодиэлектрического волноводного двухлучевого интерферометра.

3.3 Экспериментальное исследование интегрально-оптического поляризационного

разделителя ТЕ- и ТМ-волн интерференционного типа.

Выводы к главе 3.

Возрастающие потребности общества в надежных оптических системах обработки и передачи конфиденциальной информации стимулируют научные исследования по созданию и совершенствованию их элементной базы на основе новейших достижений в области физики квантовой информации. Традиционные каналы связи не обеспечивают секретности в силу своей физической природы. С появлением квантовой криптографии наметился новый путь решения проблемы секретного оптического канала связи со строгим обоснованием его секретности.

В основе квантовой криптографии лежит квантово-механический принцип невозможности клонирования квантового объекта. Если в качестве передатчика секретного кода выступают состояния отдельных фотонов, становится невозможным такой вид атаки как пассивный мониторинг, то есть несанкционированное считывание передаваемой информации. Если в классической криптосистеме такие атаки не могут быть обнаружены ни отправителями, ни получателями сообщений, то в системах квантовой криптогроафии любая попытка копирования информации приводит к резкому возрастанию числа ошибок в сообщении.

В настоящее время разработаны протоколы для оптических систем квантовой криптографии. Основными из них являются протокол, связанный с кодированием поляризационных состояний фотонов в двух неортогональных базисах, и протокол, основанный на фазовой модуляции с интерферометрическим детектированием. Оба протокола позволяют передать случайную последовательность бит, которая затем может быть использована в качестве ключа для кодирования и декодирования сообщений, посылаемых по открытому информационному каналу. Для достижения однофотонного режима передачи сигналов импульсы лазера подавляют аттенюаторами так, что вероятность появления фотона в каждом импульсе становится порядка 0,1. Разработаны также варианты квантовых протоколов на основе эффекта Эйнштейна-Подольского-Розена и теоремы Белла.

Исторически первыми появились установки квантовой криптографии, использующие протоколы передачи ключа с помощью различных поляризационных состояний фотонов. Для таких установок существует возможность передачи световых импульсов в открытом пространстве, поскольку в атмосфере отсутствует двулучепреломление. В настоящее время экспериментально доказана осуществимость передачи секретного ключа с помощью спутника, находящегося на низкой околоземной орбите.

Однако применение поляризационного кодирования в волоконно-оптических каналах квантовой связи приводит к ряду принципиальных проблем. При прохождении света по волокну на состояние его поляризации будут влиять эффекты, вызванные геометрией светового пути. Необходим тщательный отбор различных компонентов передающих и принимающих модулей для минимизации внутренней поляризационной зависимости. Вероятно, такая связь, если и будет реализована, то будет неустойчивой и ненадежной.

Более актуальной для передачи ключа по оптическому волокну оказалась разработка квантово-криптографических систем с фазовым кодированием. Их конструкция основана на двух разбалансированных интерферометрах Маха-Цендера. Для получения четкого сигнала на выходе системы интерферометры должны быть полностью идентичны с точностью до долей длины волны, что практически сложно осуществить при использовании волоконных световодов. Большой проблемой так же является дрейф фазы, уменьшение которого требует тщательной температурной стабилизации интерферометров и применения систем компенсации набега фазы. Получение четкой интерференции в таких системах требует тщательного поляризационного согласования.

Таким образом, для стабильной работы криптографических систем с фазовой модуляцией необходимо устранение вышеперечисленных недостатков. Решение этих проблем на элементной базе современной волоконной оптики является очень сложной задачей. Применение интегрально-оптической технологии позволяет создать интерферометры с требуемой точностью геометрических параметров, а также значительно уменьшить размеры оптического устройства, что облегчает и упрощает его термостабилизацию.

Учитывая тот факт, что обыкновенные волоконно-оптические световоды телекоммуникационных систем не поддерживают постоянной поляризацию оптических сигналов, простая схема квантовой криптографии с фазовым кодированием может быть модифицирована для достижения более четкой интерференционной картины и снижения количества ошибок при передаче информации. Это требует введения поляризационных элементов - расщепителей и преобразователей поляризации.

Большинство конструктивных разработок поляризационных расщепителей основано на использовании составного волновода с разнотипными материалами сердцевин, что является технологически сложной задачей и приводит к потерям мощности излучения. Поэтому актуальным является создание простых, эффективных и универсальных пространственных разделителей поляризации. Исследования, направленные на решение этой задачи, могут быть самого разного плана - как в сфере поиска оригинальных принципов построения разделителей поляризации на основе стандартной элементной базы интегральной оптики, так и в области поиска принципиально новых физических эффектов.

Целью настоящей работы являлось исследование и физико-математическое моделирование интегрально-оптических элементов для схем квантовой криптографии с фазовым кодированием

Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач:

1. анализа основных путей построения надежных и эффективных волоконно-оптических систем квантовой криптографии с фазовым кодированием;

2. выработки требований к параметрам оптических интерферометров, которые являются ключевыми элементами таких систем: модовому двулучепреломлению, уровню радиационных потерь импульсных сигналов, стабильности однополяризационного режима, технологической возможности изготовления двух идентичных по оптико-физическим характеристикам образцов, температурной стабильности;

3. геометрического анализа различных схемотехнических вариантов построения интегрально-оптической линии задержки;

4. построения полной векторной физико-математической модели высоко несбалансированного квантового интерферометра Маха-Цендера со спиралевидной линией задержки с учетом особенностей конструктивного исполнения элементов и устройств интегральной оптики с различными технологиями изготовления;

5. исследования физических принципов разделения ортогональных поляризационных компонент излучения и особенностей распространения направленных оптических волн в металлодиэлектрических многослойных волноводах; разработка нового физического метода разделения ортогональных поляризационных компонент излучения на основе металлодиэлектрического интерферометра Маха-Цендера.

6 создания программ проектирования интегрально-оптических элементов и волноводных межсоединений для оптических систем передачи квантовой информации.

Выводы к главе 3

В волоконно-оптических системах квантовой связи с поляризационной коррекцией требуются расщепители поляризаций, так как четкость интерференционной картины зависит от поляризационного согласования интерферирующих "частей" фотона. При этом применение интегрально-оптических поляризационных расщепителей имеет неоспоримые преимущества перед волоконными.

Предложены 2 новых конструкции интегрально-оптических пространственных разделителей волноводных мод.

Эффективный оптический элемент для пространственного разделения различных поляризационных компонент оптического излучения может быть создан на основе асимметричного Y-разветвителя с использованием канальных волноводов в стекле, покрытых высокопреломляющей диэлектрической пленкой. Принцип работы основан на значительном модовом двулучепреломлении четырехслойного Y-разветвителя из изотропных слоев со специально подобранными параметрами. Искусственная анизотропия сформирована путем сочетания слабонаправляющего и резко-неоднородного волноводов.

Эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод на выходе каналов 1 и 2, составляет 28 дБ для ТЕ-поляризованных волн и 25 дБ для ТМ-поляризованных волн, вносимые потери для обеих поляризаций не превышают 0.05 дБ.

Предложена новая конструкция расщепителя оптических волноводных мод в стекле на основе двухлучевого интерферометра Маха-Цендера с введением металлической пленки и буферного слоя в одном из плеч.

Принцип работы схемы основан на поляризационно-зависимом сдвиге фаз направленных волн при прохождении обоих плеч интерферометра, приводящем к направлению ТМ- и ТЕ-волн в различные выходные порты направленного ответвителя интерферометра. Поляризационная чувствительность временной задержки прохождения оптической волны достигается введением в одно из плеч интерферометра металлической пленки и буферного слоя. Эффект плазмонного резонанса в металлах использован для управления фазовой скоростью направленных ТМ-волн, без особого влияния на ТЕ-волны. Подобраны оптимальные толщины металлического и буферного слоев.

Эффективность развязки между каналами, составляет 17 дБ для ТЕ-поляризованных волн; во втором случае - 6 дБ. Эффективность развязки между каналами для ТМ-поляризованных мод в обоих случаях соответствует идеальному случаю - 100% перекачке энергии в один

S3 выходной канал.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработан интегрально-оптический двухлучевой интерферометр для систем квантовой связи. Высоко разбалансированный интерферометр Маха-Цендера (разность длин плеч 0,5 м) может быть создан на стеклянной подложке размером не более 5x5 см с линией оптической задержки в одном из плеч в форме двойной спирали, имеющей 2-3 витка (расстояние между витками 20-^50 мкм). Созданы физико-математические модели всех элементов трехмерной интегрально-оптической схемы интерферометра, включающей в себя оптическую спиралевидную линию, асимметричный и симметричный Y-разветвители оптического излучения с применением S-изгибов. В целом построена картина распространения оптического излучения в интерферометре.

Общие суммарные радиационные потери 0,5 дБ для длины волны оптического излучения 1,3 мкм схема имеет при линейных размерах подложки порядка 3 см и приращении показателя преломления волноведущего слоя An -0,01. Для оптического излучения с длиной волны 1,5 мкм и таким же значением An линейные размеры подложки при потерях 0,5 дБ должны быть 4,5 см. Интерферометр может быть сформирован путем ионного обмена в стеклянной подложке. Применение резко-неоднородных волноводов с высоким An (~0,1) дает возможность на базе полупроводниковой интегральной оптики создать компактные схемы, имеющие размеры менее 0,5 см практически при отсутствии вносимых оптических потерь.

2. Построена нестационарная картина распространения импульсного оптического сигнала в интерферометре. Для импульсных сигналов порядка 10 фс существует достаточно большое различие радиационных потерь в изогнутых волноводах при импульсном распространении оптического излучения от потерь непрерывного монохроматичного источника. Однако для импульса продолжительностью 100 фс данная зависимость выражена значительно слабее и для малых длин (менее 1 м) потери импульсного источника и непрерывного оптического излучения практически совпадают.

3. В интерферометрических схемах фазового кодирования по причине жестких требований к величине модового двулучепреломления Ю-6) должны использоваться только оптические волноводы в стекле и полимерных материалах с низкими значениями перепадов показателей преломления волноведущего слоя и смежных слоев - менее 0.1 • Ю-2. Волноводы с высоким перепадом показателей преломления волноведущего слоя и смежных сред использовать в качестве интерферометра без специального подбора их геометрической формы, компенсирующей двулучепреломление, не представляется возможным.

Альтернативой, позволяющей их применение, является использование дополнительного интегрально-оптического блока поляризационной коррекции, либо применение однополяризационных волокон в качестве физической среды передачи квантовой информации.

4. Предложена и рассчитана новая схема оптического поляризационного расщепителя волноводных мод на основе двухлучевого интерферометра Маха-Цендера в стекле. Принцип работы схемы основан на поляризационно-зависимом сдвиге фаз направленных волн при прохождении обоих плеч интерферометра при достаточно низких потерях для обоих поляризаций. Одно плечо интерферометра включает в себя металлодиэлектрический волновод с подобранными параметрами. Схема может быть использована в системах квантовой связи с фазовым кодированием и поляризационной коррекцией. Результаты расчетов показали, что для одномодового ионообменного волновода в стекле со стандартными параметрами оптимальная толщина буферного слоя с показателем преломления 1,457 составляет 0,6 мкм, а необходимый сдвиг фаз достигается при длине металлической пленки 1,5 см и толщине 20 нм (длина волны 1,3 мкм). Эффективность развязки между каналами при этом составляет 17 дБ для ТЕ-волн при 100% развязке для ТМ-волн.

5. Эффективное устройство для пространственного разделения различных поляризационных компонент оптического излучения может быть создано на основе асимметричного Y-разветвителя с использованием канальных волноводов в стекле, покрытых высокопреломляющей диэлектрической пленкой. Принцип работы основан на значительном модовом двулучепреломлении четырехслойного Y-разветвителя из изотропных слоев со специально подобранными параметрами. Искусственная анизотропия сформирована путем сочетания слабонаправляющего (Дя~0.01) и и резко-неоднородного (Дл~0.1) волноводов. Построена физико-математическая модель разделения ТЕ- и ТМ-волн в Y-разветвителе.

Эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод на выходе каналов 1 и 2, составляет 28 дБ для ТЕ-поляризованных волн и 25 дБ для ТМ-поляризованных волн, вносимые потери для обеих поляризаций не превышают 0.05 дБ (длина волны 1,3 мкм).

6. Созданы программы проектирования интегрально-оптических элементов и волноводных межсоединений для оптических систем передачи квантовой информации, основанные на полном векторном конечно-элементном анализе распространения электромагнитных волн

1. Физика квантовой информации. М. "Постмаркет" 2003 г.

2. Charles Н. Bennett, Fran3ois Bessette, Gilles Brassard, Louis Salvail, and John Smolin, "Experimental Quantum Cryptography", J. of Cryptology 1992, 5, PP.

3. Чмора A.J1. Современная прикладная криптография. М. "Гелиос АРВ" 2002 г. 244 с.

4. Килин С.Я. Квантовая информация// Успехи физических наук., 1999, Т. 169, № 5, с.507-525.

5. Gregoire Ribordy, Nicolas Gisin Quantum cryptography// Reviews of Modern Physics, 2002, V. 74, N 1, P. 145-195

6. H. Zbinden, H. Bechmann-Pasquinucci, N. Gisin and G. Ribordy Quantum Cryptography//

7. Appl. Phys., 1998, В 67, pp. 743-748,

8. Молотков C.H. Экспериментальная схема квантовой криптографии на неортогональных состояниях с временным сдвигом и минимальным числом оптических компонентов// Письма в ЖЭТФ, 2003, Том 78, Вып. 10, с. 1156-1161.

9. Молотков С.Н. Простая схема квантовой криптографии на задержках на базе оптоволоконного интерферометра Маха-Цендера// Письма в ЖЭТФ, 2003, Том 78, Вып. 3, с. 194-200.

10. Тарасов JI.B. Квантовая оптика. М. "Физматлит" 1986 г.

11. G. Ribordy, J-D. Gautier, N. Gisin, О. Guinnard and H. Zbinden "Automated "plug & play" Quantum Key Distribution

12. Electronics Letters, 1998, 34, N22, pp. 2116-2117,

13. D Stucki, N Gisin, О Guinnard, G Ribordy and H Zbinden

14. Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system// New Journal of Physics, 2002, N4, P41.1-41.8

15. W. Tittel, J. Brendel, B. Gisin, T. Herzog, H. Zbinden and N. Gisin Experimental demonstration of quantum correlations over more than 10 km// Phys. Rev. A, 1998, 57, pp. 3229-3232,

16. Гладкий В.П., Никитин B.A., Прохоров В.П., Яковенко Н.А. Элементы волноводнойоптоэлектроники для устройств функциональной обработки цифровой информации // Квантовая электроника, 1995, 22, N10, С.1027-1033.

17. G.Bonfrate, M.Harlow Asymmetric Mach-Zender germano-silicate channel waveguide interferometers for quantum cryptography systems// Electronics Letters, 2001, V.37, N.13, P.846-847.

18. Векшин М.М., Кулиш О.А., Яковенко Н.А "Расчет микрооптического квантового интерферометра со спиралевидной волноводной линией задержки" / Депонент в ВИНИТИ N 1482 -В2004 от 21.09.2004, Кубанский университет, г. Краснодар

19. Weibin Huang, Richard R.A.Syms Analysis of Folded Erbium-Doped Planar Waveguide Amplifers by the Method of Lines// Journal of Lightwave Technol., 1999, V.17, N12, P.2658-266

20. Daniel Lowe, Richard R.A.Syms Layout Optimization for Erbium-Doped Waveguide Amplifiers// Journal of Lightwave Technol., 2002, V.20, N3, P.454-462.

21. Семенов A.C., Смирнов B.JI., Шмалько A.B. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации // М:-Радио и связь, 1990.

22. Волноводная оптоэлектроника // под. ред. Тамира Т., М:-Мир, 1991.

23. Маркузе Д. Оптические волноводы. М.: Мир, 1974, 576 с.

24. Hua Deng, Guang Hai Jin Investigation of 3-D Semivectorial Finite-Difference Beam Propagation Method for Bent Waveguides // Journal of Lightwave Technol., 1998, V.16, N5, P.915-922.

25. Junji Yamauchi, Osamu Saito Polarization Dependence of Pure Bending Loss in Slab

26. Optical Waveguides// IEICE Trans. Electron. 1996, V. E79-C, N 6, P 870-873.

27. William Berglung, Anand Gopinath WKB Analysis of Bend Losses in Optical Wavwguides// Journal of Lightwave Technol., 2000, V.18, N8, P.l 161-1165.

28. Rivera M. A Finite Difference BPM Analysis of Bent Dielectric Waveguides // Journal of Lightwave Technol., 1995, V.13, N2, P.233-238.

29. M.Rivera Lowest-order mode transmission in multimode dielectric S-bends// Optical and Quantum Elektronics, 1997, N 29, P. 323-333

30. R.T.Deck, M. Mirkov Determination of Bending Losses in Rectangular Waveguides// Journal of Lightwave Technol., 1998, V.16, N9, P. 1703-1714.

31. Mario N. Armenise, Vittorio M.N.Passaro Modeling and Design of a Novel Miniaturized Integrated Optical Sensor for Gyroscope Systems// Journal of Lightwave Technol., 2001, V.19, N10, P.1476-1494.

32. K.R.Hiremath Modeling of 2D Cylindrical Integrated Optical Microresonators // Research Report, University of Twente, Department of Applied Mathematics, 2003

33. Mordehai Heiblum, Jay H.Harris Analysis of Curved Optical Waveguides by Conformal Transformation// Journal of Quantum Elektronics, 1975, V. QE-11, N 2, P. 75-83.

34. Akihiro Maruta, Masanori Matsuhara Analysis of Lightwave Propagation in a Bent Waveguide by the Galerkin Method// IEICE Trans. Electron. 1992, V. E75-C, N 6, P 736-740.

35. Peter Bienstman, E.Six, M.Roelens Calculation of Bending Losses in Dielectric Waveguides Using Eigenmode Expansion and Perfectly Matched Layers// IEEE Photonics Technology Letters, 2002, V. 14, N 2, P. 164-166.

36. I.C.Goyal, R.L.Gallawa Bent Planar Waveguides and Whispering Gallery Modes: A New Method of Analysis// Journal of Lightwave Technol., 1990, V.8, N5, P.768-774.

37. Meint К. Smit, Erik C.M.Pennings A Normalized Approach to the Design of Low-Loss Optical Waveguide Bends// Journal of Lightwave Technol., 1993, V.l 1, N11,1. P. 1737-1742

38. K.Thyagarajan, Supriya Diggavi Analytical investigations of leaky and absorbing planar structures// Optical and Quantum Elektronics, 1987, N 19, P. 131-137.

39. Ajoy K. Ghatak, K. Thyagarajan Numerical Analysis of Planar Optical Waveguides Using6У

40. Matrix Approach// Journal of Lightwave Technol., 1987, V.LT-5, N5, P.660-667.

41. M.R.Ramadas, E. Garmire Analysis of absorbing and leaky planar waveguides: a novel method// Optics Letters, 1989, V. 14, N 7, P. 376-378.

42. Weiping Huang, Raed M. Shubair The Modal Characteristics of ARROW Structures// Journal of Lightwave Technol., 1992, V.10, N8, P.1015-1022.

43. Yasuhide Tsuji, Masanori Koshiba Guided-Mode and Leaky-Mode Analysis by Imaginary Distance Beam Propagation Method Based on Finite Element Scheme// Journal of Lightwave Technol., 2000, V.18, N4, P.618-623.

44. Hayata К., Nagai М. Finite element formalisn for nonlinear slab-guided waves // IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques. 1988. V.36, № 7. P. 1207-1215.

45. Koichi Hirayama, Koichiro Suzuki Finite-Element Analysis of Leaky Wave in a Dielektric Ring Resonator // IEICE Transactions on Electronics, 2002, V.J85-C, N12, P.1233-1235

46. Toshio Yamamoto, Masanori Koshiba Analysis of Curvature Losses of Whispering Gallery Modes in an Optical Dielectric Disk by the Finitelement Method// Journal of Lightwave Technol., 1994, V.12, N1, P.59-63.

47. Rivera M. "Lowest-order mode transmission in multimode dielectric S-bends"// Optical and Quantum Electronics, 1997, 29, pp.323-333

48. Ф. Снайдер А., Лав Д. Теория оптических волноводов // М:-Радио и связь, 1987.

49. Rowland D. Nonpertubative calculation of bending loss for a pulse in a bent planar waveguide// IEE Proceedings, 1997, 144, N2, pp.91-96

50. Войтович H.H., Каценеленбаум Б.З., Сивов A.H. Собственные волны диэлектрических волноводов сложного сечения (обзор)// радиотехника и электроника. 1979, Т. 24, № 7, с. 1245-1263.

51. Боголюбов А.Н., Делицын A.JI., Красильникова А.В., Минаев Д.В., Свешников А.Г. Математическое моделирование волноведущих систем на основе метода конечных разностей // Зарубежная радиоэлектроника, 1998, N5, С. 39-54.

52. Marcuse D. Solution of the Vector Wave Equation for General Dielectric Waveguides by the Galerkin Method. // IEEE J.Quatum Electron. 1992.V.28, N.2. P. 459-465.

53. Koshiba M., Maruyama S., Hirayama K. A Vector Finite Element Method With the

54. High-Order Mixed-Interpolation-Type Triangular Elements for Optical Waveguiding Problems. Journal of Lightwave technology, Vol. 12, № 3, 1994.

55. Koshiba M., Tsuji Y. Design and modeling of microwave photonic devices// Optical and Quantum Electronics, № 30, 1998, pp.

56. Koshiba M., Hayata K., Suzuki M. Improved Finite-Element Formulation in Terms of the Magnetic Field Vector for Dielectric Waveguides. IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, № 3, 1985.

57. Разностная аппроксимация двумерного волнового уравнения для расчета модовой структуры световодов

58. Межвузовский сборник научных трудов «Проблемы совершенствования систем защиты информации и образовательных технологий подготовки военных специалистов», КВИ, Краснодар, 2003, № 4, С. 159-161

59. Burns W.K., Milton A.F. Mode conversion in planar dielectric separating waveguides // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1975, V.l 1, N1, P.32-39.

60. Wei P.K., Wang W.S. A TE-TM mode splitter on LiNb03 using Ti, Ni, and MgO diffusions // IEEE Photonics Technology Letters, 1994, V.6, N2, P.245-248.

61. Lee S.-S., Garner S., Steier W., Shin S.-Y. Integrated optical polarization splitter based on photobleaching-induced birefringence in azo dye polymers // Applied Optics, 1999, V.38, N3, P.530-533.

62. Векшин M.M., Гладкий В.П., Никитин В.А., Яковенко Н.А. Интегрально-оптические поляризаторы на основе многослойных диэлектрических волноводов // Автометрия, 1998, N5, С.58-65.

63. Векшин М.М., Кулиш О.А., Яковенко Н.А. "Пространственное разделение ТЕ- и ТМ-волн в интегрально-оптическом разветвителе на основе диэлектрических изотропных слоев"// Автометрия, 2004, 40, N4 с.50-56

64. Ctyroky J., Janta J., Proks J. Two-mode-interference Ti:LiNb03 electro-opticpolarisation-independent switch or polarisation splitter // Electronics letters, 1991, 27, N11, P. 965-966.

65. Thyagarajan K., Pilevar S. Resonant tunneling three-waveguide polarization splitter // J. Lightwave Technol., 1992, V.10, N10, P.1334-1337.

66. Miliou A.N., Srivasta R., Ramaswamy R.V. A 1.3 fim directional coupler polarization splitter by ion exchange // J. Lightwave Technol., 1993, V.l 1, N2, P.220-225.

67. Maruyama H., Haruna M., Nishinara H. TE-TM mode splitter using directional coupling between heterogeneous waveguides in LiNbCh. Journal of Lightwave Technology 1995, V.13, N7, pp.1550-1554

68. Rahman B.M.A., Somasiri N. Design of optical polarization splitters in a single-section deeply etched MMI waveguide // Applied Physics В 73, 2001, P. 613-618.

69. Shani Y., Henry С. H. Four-port integrated optic polarization splitter// Appl. Optics, 1990,V. 29, N 3, pp 337-339.

70. Yamamoto Y., Kamiya T.,Yanai H. Characteristics of optical guided modes in multilayer metal-clad planar optical guide with low index dielectric buffer layer // IEEE J.Quantum Electron, 1975 , V.l 1, N9, P.729-736.

71. Kaminov I.P.,Mammel W.L.,Weber H.P. Metal-clad optical waveguides :analytical and experimental study// Applied Optics, 1974, V.13, February, P. 396-405.

72. Быковский Ю.А., Гончаров И.Г., Золотарев В.А. Дисперсионные свойства оптических волноводов с металлическим покрытием // Квантовая электроника, 1985, Т.12, N7, С.1524-1526.

73. Al-Bader S.J., Jamid J. A. Comparison of absorption loss in metal-clad optical waveguides // IEEE Trans. MTT, 1986, V.34, N 2, P.310 -314.

74. Быковский Ю.А., Гончаров И.Г., Золотарев В.А. Исследование дисперсионных свойств оптических волноводов с металлическим покрытием // Квантовая электроника, 1985, Т.12, N11 , С.2353-2355.

75. Быковский Ю.А., Гончаров И.Г., Золотарев В.А. Дисперсионные свойства оптических волноводов с металлическим покрытием // Квантовая электроника, 1985, Т.12, N7, С.1524-1526.

76. Yamamoto Y., Kamiya T.,Yanai Н. Characteristics of optical guided modes in multilayer metal-clad planar optical guide with low index dielectric buffer layer // IEEE J.Quantum Electron, 1975 , V.l 1, N9, P.729-736.

77. Sletten M., Seshadri S.R. Thick metal surface-polariton polarizer for a planar optical waveguide // J. Opt. Soc. Amer., A, 1990, V.7, N7, P. 1174-1184.ш

78. Sun L., Yip G.L. Analysis of metal-clad optical waveguide polarisers by the vector beam propagation method // Appl.Opt., 1994, V.33, N6 , P. 1047 10506.

79. Ctyroky J., Yee S.S., Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: review // Sensors and Actuators. B. 1999. V.54,N13. P.3-11.

80. Thyagarajan K., Diggavi S., Ghatak A.K. Integrated-optic polarization-splitting directional coupler // Optics Letters, 1989, V.14, N23, P.1333-1335

81. Verbeek B.H., Henry C.H., Olsson N.A. Integrated Four-Channel Mach-Zehnder Multi/Demultiplexer Fabricated with Phosphorous Doped Si02 Waveguides on Si // Journal of Lightwave Technology, 1988, V.6, N6, pp.1011-1015.

82. M. M. Vekshin, O.A. Culish, N.A. Yacovenko "Integrated-optic metal-clad channel waveguides: three-dimensional simulation and sensitivity considerations"// Proceedings of SPIE, 2002, V.4900, pp. 447-450

83. Ramaswamy R.V. Ion-exchanged glass waveguides: a review // J. Lightwave Technol.,1988, V.6, N6, P.984-1001.

84. Tsuji Y., Koshiba M. A finite element beam propagation method for strongly guiding and longitudinally varying optical waveguides // Journal of Lightwave Technology, 1997, V.14, N2, P.217-222

85. Hadley R.G Transparent boundary condition for beam propagation method // IEEE J. Quant. Electron., 1992, V.28, N1, P.363-370

86. Бондаренко С.Г., Векшин М.М., Кулиш О.А., Яковенко Н.А "Пространственный оптический разделитель ТЕ- и ТМ-волн на основе металлодиэлектрического двухлучевого волноводного интерферометра"// Микросистемная техника, 2004, N12, с. 31-34