Методы управления оптическим излучением в диэлектрических волноводах с использованием фоторефрактивных брэгговских решеток тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

00461Ь2ЬИ

На правах рукописи

ШАМРАЙ Александр Валерьевич

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

- 9 ЛЕИ 2010

Санкт — Петербург - 2010

004616260

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН. Научный консультант:

доктор физико - математических наук Петров Виктор Михайлович. Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук Кожевников Николай Михайлович, доктор технических наук Мешковский Игорь Касьянович, доктор технических наук Лиференко Виктор Данилович.

Ведущая организация:

ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Защита состоится «27» декабря 2010 г. в 12:30 часов на заседании диссертационного совета Д212.229.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая д.29. корп. II, ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ «СПбГПУ»

Замечания и отзывы по данной работе в 1 экземпляре, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря, Короткова A.C. по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, ГОУ «СПбГПУ», диссертационный совет Д212.229.01

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.01

доктор технических наук

Коротков A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Современные информационные технологии всё шире используют оптический диапазон электромагнитных колебаний. Широкополосные системы оптической связи, оптические системы памяти и различные оптические датчики требуют всё более быстрого и гибкого управления световыми потоками. При этом одной из главных практических задач является задача создания устройств управления оптическими сигналами без промежуточного преобразования сигналов в электронный вид. Использование оптических волноводов и интегрально-оптических устройств на их основе является одним из наиболее перспективных направлений решения данной задачи и еще одним шагом в направлении слияния фотоники и электроники. Высокая степень локализации поля световой волны позволяет существенно уменьшить размеры, увеличить быстродействие и эффективность управления оптическими сигналами.

Диэлектрические оптические волноводы достаточно широко используются для передачи и модуляции оптических сигналов - это прежде всего оптическое волокно и электрооптические модуляторы на основе ниобата лития. Современные технологии производства диэлектрических оптических волноводов обеспечивают предельно низкие оптические потери, а применение сегнетоэлектрических подложек для изготовления волноводных интегрально-оптических схем позволяет использовать электрооптический, акустооптический, а также и нелинейные оптические эффекты для управления оптическим излучением.

Расширение круга практических применений требует создание устройств с новыми функциональными характеристиками. Поэтому разработка и исследование новых методов управления оптическим излучением в диэлектрических волноводах является актуальной задачей. Особый интерес представляют исследования новых конфигураций интегрально-оптических устройств, в которых управление оптическими сигналами происходит при взаимодействии с периодическими структурами. Дифракция оптического излучения на периодических структурах дает диэлектрическим волноводам принципиально новые оптические свойства, такие как спектральная селективность и особый закон дисперсии, которые могут быть использованы для увеличения эффективности управления светом и расширения функциональных возможностей интегрально-оптических устройств. В то же время, самостоятельный научный интерес

представляет исследование управления оптическим излучением в диэлектрических волноводах с точки зрения изучения свойств материалов и оптимизации их для решения указанных задач.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование новых методов управления оптическим излучением в диэлектрических волноводах с использованием Брэгговских решеток, а также разработка концепций интегрально-оптических устройств для управления световыми потоками.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовались процессы формирования Брэгговских решеток в фоторефрактивных кристаллах. Определялась оптимальная геометрия кристаллов фоторефрактивных сегнетоэлектриков, обеспечивающая эффективное управление дифракцией оптического излучения на Брэгговских решетках.

2. Исследовались методы оптического управления спектральной характеристикой Брэгговских решеток, основанные на динамической голографической записи в фоторефрактивных кристаллах.

3. Исследовались методы электрооптического управления спектральной характеристикой Брэгговских решеток, в том числе сформированных в. канальных оптических волноводах на кристаллических подложках ниобата лития. Выявлялись факторы, ограничивающие эффективность и скорость управления Брэгговскими решетками.

4. Исследовались механизмы формирования оптических волноводов на подложках ниобата лития, а также влияние геометрических параметров фотолитографической маски на распределение интенсивности оптического излучения в моде канального волновода. Выявлялись методы изготовления оптических волноводов, обеспечивающие оптимальное согласование со стандартным телекоммуникационным оптическим волокном и низкую чувствительность к погрешностям изготовления фотолитографической маски.

5. Исследовалось возбуждение плазмон-поляритонных мод в тонкопленочных структурах на поверхности оптического волновода.

6. Анализировались новые функциональные свойства управляемых интегрально-оптических Брэгговских решеток с точки зрения практических

применений. Рассматривалась возможность использования управляемых Брэгговских решеток для реализации новых форматов модуляции оптических сигналов, основанных на кодировании оптического спектра.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Научная новизна работы определялась тем, что в ней были разработаны и детально исследованы новые методы управления оптическим излучением.

1. Впервые проведены детальные теоретические исследования метода электрооптического управления дифракцией на Брэгговских решетках в фоторефрактивных кристаллах. Определена оптимальная ориентация для управления Брэгговскими решетками в фоторефрактивных сегнетоэлектриках. Обнаружен эффект влияния фотогальванического поля, возникающего при записи фоторефрактивных Брэгговских решеток, на условия дифракции при считывании.

2. Предложен и экспериментально продемонстрирован оригинальный метод управления формой спектральной характеристики Брэгговских решеток путем создания динамических скачков среднего показателя преломления или сдвигов фазы решетки. Разработана детальная теория, описывающая данный метод.

3. Впервые осуществлена экспериментальная демонстрация динамического управления формой спектральной характеристики Брэгговских решеток как в объемном, так и в интегрально-оптическом исполнении.

4. Впервые проведены экспериментальные и теоретические исследования влияния геометрических параметров фотолитографической маски на оптические характеристики канальных волноводов на подложках ниобата лития, изготавливаемых методом низкотемпературного протонно-ионного обмена.

5. Проведены детальные экспериментальные исследования плазмон-поляритонных поляризаторов на поверхности канальных одномодовых оптических волноводов в ниобате лития. Разработана оригинальная технология изготовления плазмон-поляритонного поляризатора на основе композитной пленки А1/АЬОз, позволяющая изготавливать поляризатор в одном технологическом цикле.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Основная практическая ценность работы заключается в разработке концепции построения нового класса управляемых интегрально-оптических устройств с

принципиально новыми функциональными возможностями. В частности:

1. В результате исследования механизмов формирования оптических волноводов на подложках ниобата лития по технологии низкотемпературного протонного обмена выявлены условия изготовления интегрально-оптических устройств, обеспечивающие высокие электрооптические характеристики волноводов и низкую чувствительность к погрешностям изготовления фотолитографической маски.

2. Определена оптимальная конфигурация плазмон-поляритонного интегрально-оптического поляризатора на основе канальных волноводов в ниобате лития, работающего в диапазоне длин волн 1500 - 1600 нм. Изготовлен опытный образец поляризатора с коэффициентом выделения поляризации 19 дБ/мм и вносимыми потерями 0,1 дБ/мм, что соответствует самым высоким требованиям, предъявляемым к устройствам выделения поляризации в системах оптических датчиков.

3. Предложено использовать управляемые Брэгговские решетки для построения перестраиваемых интегрально-оптических фильтров с полосой пропускания до 0,1 нм и диапазоном перестройки порядка 1 нм. Показана возможность гибкого управления как центральной длиной волны, так и формой спектральной характеристики Брэгговских решеток.

4. Предложено использовать управление спектральной характеристикой интегрально-оптических Брэгговских решеток для частотной модуляции и спектрального кодирования оптических сигналов, что может быть использовано при разработке новых форматов модуляции.

ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Формирование контролируемых скачков фазы, среднего показателя преломления или периода решетки позволяет осуществлять управление дифракцией оптического излучения на Брэгговских решетках и формой их спектральной характеристики. В фоторефрактивных кристаллах заданное изменение среднего показателя преломления реализуется за счет электрооптического эффекта, а изменение фазы и периода решетки методом динамической голографической записи.

2. Пространственная фазовая модуляция волнового фронта записывающих лучей при голографической записи динамической Брэгговской решетки в фоторефрактивном кристалле титаната бария формирует управляемые скачки фазы решетки и позволяет осуществлять гибкое управление формой спектральной характеристики Брэгговской

решетки в режиме реального времени.

3. Оптимальная ориентация для электрооптического управления дифракцией оптического излучения и спектральной характеристикой Брэгговских решеток в фоторефрактивных кристаллах зависит от симметрии кристаллов и одновременно обеспечивает эффективную голографическую запись фоторефрактивной решетки, а также высокую чувствительность к управляющему внешнему электрическому полю в геометрии поперечного электрооптического эффекта. Для кристаллов ЫЫЬОз и ВаТЮз оптимальная ориентация существенно отличается от традиционной ориентации для записи фоторефрактивных решеток и имеет наклон оптической оси относительно волнового вектора решетки и прикладываемого управляющего поля.

4. Использование интегрально-оптической конфигурации для электрооптического управления Брэгговскими решетками в ниобате лития обеспечивает снижение управляющего напряжения, возможность создания заданного пространственного распределения скачков среднего показателя преломления для гибкого управления формой спектральной характеристики, а также совместимость с волоконно-оптическими системами. Управляемые интегрально-оптические Брэгговские решетки позволяют осуществлять генерацию и детектирование частотно модулированных и спектрально кодированных оптических сигналов в системах оптических телекоммуникаций и разветвленных сетях оптических датчиков.

5. В кристалле ниобата лития под действием фотогальванического эффекта в процессе записи Брэгговских решеток возникает однородное электрическое поле, которое изменяет условия дифракции на записанной решетке и сдвигает центральную резонансную длину волны отражения. Амплитуда поля зависит от интенсивности света во время голографической записи и контраста интерференционной картины.

6. При изготовлении оптических волноводов на подложках ниобата лития по технологии низкотемпературного протонного обмена с последующим отжигом ширина фотолитографической маски является дополнительной степенью свободы для контроля поперечного распределения интенсивности оптического излучения в волноводной моде, влияя как на ширину, так и на глубину модового пятна. При заданном размере модового пятна существует набор технологических параметров, при которых размер пятна

волноводной моды практически не зависит от изменения ширины маски в диапазоне ± 1-4,5 мкм, что обеспечивает низкую чувствительность к погрешностям изготовления на стадии фотолитографии.

7. Металлическая пленка алюминия с диэлектрическим подслоем оксида алюминия на поверхности канального оптического волновода в ниобате лития обладает свойством выделения поперечной электрической (ТЕ) волноводной моды и используется в качестве интегрально-оптического поляризатора. Максимальный коэффициент выделения поляризации достигается за счет выбора оптимальной толщины металлической пленки и диэлектрического подслоя, обеспечивающих эффективное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн при выполнении условий фазового синхронизма с поперечной магнитной (ТМ) модой оптического волновода, а также за счет чистоты пленок при использовании единого технологического цикла напыления выбранных материалов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Московской Международной конференции по оптическим информационным технологиям OIST'97 (Москва, Россия, 27-30 авг. 1997 г); XVI-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO'98 (Москва, Россия, 29 июня-3 июля 1998 г); 12-ой Международной конференции по лазерам и электрооптике в Европе CLEO/Europe-EQUEC'98 (Глазго, Шотландия, 14-18 сент. 1998 г); Московской Международной конференции по оптической обработке информации 01Р'99 (Москва, Россия, 29 мая-1 июня 1999 г); Ежегодной Европейской конференции по исследованию материалов E-MRS'2000 (Страсбург, Франция, 30 мая-2 июня, 2000 г.); 14-ой Международной конференции по лазерам и электрооптике в Европе CLEO/Europe-EQUEC'2000 (Ницца, Франция, 10-15 сент. 2000 г.); Международной конференции по оптическим кристаллам (Мозырь, Беларусь, 26-30 сентября 2000г.); 27 Европейской конференция по оптической связи ECOC'Ol (Амстердам, Голландия, 30 сент,- 4 окт. 2001 г.); Московской Международной конференции по квантовой электронике и лазерной оптике ICONO/LAT'02 (Москва, Россия, 22-27 июня 2002 г.); Ежегодной Европейской конференции по исследованию материалов E-MRS'2003 (Страсбург, Франция, 10-13 июня, 2003 г.); Ежегодной конференции Германского Оптического Общества DGAO'03 (Мюнстер, Германия, 10-14 июня 2003 г.); 11-й Международной

конференции по оптике лазеров LO-2003 (Санкт-Петербург, Россия, 30 июня - 04 июля, 2003 г.), Европейской конференции по твердотельным и волоконным когерентным источникам света EPS-QEOD (Лозанна, Швейцария, 29 августа - 03 сентября 2004г.); Конференции американского оптического общества по твердотельной фотонике ASSP 2005 (Вена, Австрия, 06-09 февраля 2005г.); Международной конференции по квантовой электронике и лазерной оптике ICONO/LAT'05 (Санкт-Петербург, Россия, 11-15 мая 2005г.); Международной конференции по лазерам и электрооптике в Европе CLEO/Europe-EQUEC'2005 (Мюнхен, Германия, 12-17 июня, 2005г.); Международной конференция по оптоэлектронике и лазерам CAOL2005 (Ялта, Украина, 12-17 сентября 2005 г.); Международной конференции по оптоинформатике (Санкт-Петербург, 17-20 октября 2005г.); 12-й Международной конференции по оптике лазеров LO-2006 (Санкт-Петербург, Россия, 26-30 июня, 2006 г.); 10-м Международном семинаре по применению нанотехнологий и оптоэлектроники в живых системах (Санкт-Петербург, Россия, 01-03 ноября 2006г.); Ежегодной международной конференции по лазерам и электрооптике CLEO/QELS-2007 (Балтимор, США, 06-11 мая 2007г.); Международной конференции по квантовой электронике и лазерной оптике ICONO/LAT'07 (Минск, Беларусь, 27 мая - 01 июня 2007г.); 17-й Международной конференции по микроволновым и телекоммуникационным технологиям CRIMIC02007 (Севастополь, Украина, 10-14 сентября 2007г.); Международной конференции по голографии HOLO-EXPO 2007 (Москва, Россия, 24-27 сентября 2007г.); Конгресс международного общества оптики и фотоники SPIE Photonics West 2008 (Сан-Хосе, США, 19-24 января 2008г.); Европейский конгресс международного общества оптики и фотоники SPIE Photonics Europe 2008 (Страсбург, Франция, 07-10 апреля 2008г.); 8-й Международной конференции по оптическим технологиям для измерений и сенсоров ОРТ02008 (Нюрнберг, Германия, 06-08 мая 2008г.); 13-й Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Санкт-Петербург, Россия, 09-14 июня, 2008 г.); 13-й Международной конференции по оптике лазеров LO-2008 (Санкт-Петербург, Россия, 23-28 июня, 2008 г.); Международной конференции по фоторефрактнвным материалам, эффектам и устройствам PR-09 (Бад Хоннеф, Германия, 11-14 июня 2009 г.).

Результаты работы неоднократно обсуждались на семинаре лаборатории квантовой электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе, были представлены и обсуждены на заседании Ученого совета Отделения твердотельной электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе,

на семинаре кафедры радиофизики ГОУ «СПбГПУ».

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 311 наименований. Каждая глава завершается параграфом "Результаты", кратко суммирующим изложенные в главе оригинальные результаты. Диссертация изложена на 257 страницах и содержит 105 рисунков.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Содержание диссертации отражает персональный вклад автора в опубликованные работы. На начальном этапе диссертационной работы постановка ряда задач осуществлялась совместно с доктором физико-математических наук, профессором М.П. Петровым. Многие работы выполнены в соавторстве с сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, а также в творческом содружестве с сотрудниками других научных учреждений, включая зарубежные. Во всех случаях автор диссертации принимал участие в выборе направления исследований, постановке задачи, обсуждении результатов, а вклад автора диссертации в планирование и проведение экспериментов был определяющим.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ содержит обоснование актуальности проведённых в диссертационной работе исследований. В нём сформулированы цели и задачи работы, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, изложены защищаемые положения.

ПЕРВАЯ ГЛАВА представляет собой литературный обзор, в рамках которого описываются оптические свойства Брэгговских решеток и методы топографической записи решеток в фоторефрактивных кристаллах. Рассматриваются современные технологии формирования оптических волноводов на фоторефрактивных кристаллических подложках. Приведены теоретические основы для описания распространения света по диэлектрическим оптическим волноводам и дифракции на Брэгговских решетках.

В разделе 1.1 рассматриваются оптические свойства Брэгговских решеток как узкополосных оптических фильтров. Приводятся основные положения теории связных

мод, позволяющие описывать дифракцию света на Брэгговской решетке. Описан метод матриц переноса и его использование для анализа Брэгговской решетки со сложным пространственным распределением, показана прямая связь между спектральной функцией отражения решетки и пространственным распределением ее основных параметров (амплитуды, фазы, среднего показателя преломления). Рассмотрены некоторые наиболее значимые области применения Брэгговских решеток.

В разделе 1.2. описаны основные методы записи Брэгговских решеток.

В разделе 1.3 обсуждаются критерии выбора материалов для проведения исследований: 1) достаточная чувствительность в видимом и ультрафиолетовом диапазоне; 2) высокое оптическое качество и высокое разрешение (до 10000 лин/мм или ЮОнм); 3) длительное неразрушающееся хранение; 4) существование технологии изготовления оптических волноводов; 5) высокие значения электрооптических коэффициентов. Отдельно рассмотрены процессы голографической записи Брэгговских решеток в фоторефрактивных кристаллах. Дана общая характеристика фоторефрактивного эффекта, кратко описаны различные механизмы формирования решетки пространственного заряда, различающиеся по типу переноса фотовозбужденных зарядов. Детально рассмотрены свойства двух, отобранных по приведенным выше критериям, фоторефрактивных кристаллов.

Кристалл ниобата лития (1лЫЬОз) обладает высоким оптическим качеством и низким уровнем оптических шумов, что позволило получить наилучшую среди фоторефрактивных материалов вероятность ошибки при мультиплексировании голограмм (ВЕЯ ~ 8*10 7). Легированный ионами железа или меди 1л!ЧЬОз обладает приемлемой чувствительностью к голографической записи в видимом диапазоне (~ 1 Дж/см2) и необходимым для записи Брэгговских решеток разрешением. Разработаны методы фиксирования голографических решеток, что обеспечивает хранение решеток в течение долгого времени (до 20 лет). Существует несколько базовых технологий изготовления оптических волноводов на кристаллических подложках 1л№Оз. Кристаллы обладают линейным электрооптическим эффектом с высокими электрооптическими коэффициентами (Гзз=32.2 пм/В).

Кристалл титаната бария (ВаТЮз) имеет чрезвычайно высокие значения электрооптических коэффициентов (г51=820 пм/В), что по существу и определило выбор данного материала для проведения исследований. Легирование кобальтом обеспечивает

необходимую для голографической записи фоточувствительность в синезелёной области спектра. Существующие для ВаТЮз методы фиксирования голограмм не обеспечивают необходимой амплитуды фиксированных решеток, а существующие технологии изготовления оптических волноводов в данных кристаллах не дают требуемой стабильности и высокого оптического качества, что ограничивает использование ВаТЮз для записи динамических Брэгговских решеток в объемном исполнении.

В разделе 1.4 рассматриваются методы формирования оптических волноводов в фоторефрактивных кристаллах. Особое внимание уделяется технологии изготовления волноводов в кристалле ниобата лития, достигшей промышленного уровня. Кроме этого, в данном разделе дано теоретическое описание распространения света по оптическим волноводам и определена связь между профилем показателя преломления и характеристиками волноводной моды.

В разделе 1.5 кратко сформулированы новые концепции использования фоторефрактивных волноводов и перестраиваемых Брэгговских решеток для управления световыми потоками. Показано, что предлагаемые идеи соответствуют тенденциям развития оптических систем и появляющимся новым практическим применениям. Это, прежде всего увеличение скорости управления и уменьшение размеров. Немаловажным с практической точки зрения также является возможность адаптации к промышленному производству.

В заключении сформулированы научные проблемы, решаемые в данной работе для реализации предложенных концепций:

1. Поиск методов оптимизации технологии изготовления оптических волноводов в фоторефрактивных кристаллах с точки зрения минимизации чувствительности к погрешностям в процессе изготовления.

2. Исследования тонкопленочных структур на поверхности оптических волноводов для новых функциональных возможностей управления характеристиками оптического излучения.

3. Выбор наиболее подходящих фоторефрактивных кристаллов и поиск оптимальной конфигурации для управления Брэгговскими решетками, одновременно учитывая возможности интегрально оптического исполнения.

4. Экспериментальная демонстрация физической реализуемости разрабатываемых методов управления оптическим излучением с использованием оптических волноводов и

фоторефрактивных Брэгговских решеток.

5. Анализ наиболее перспективных и поиск новых практических применений исследуемых механизмов управления оптическим излучением в информационных оптических системах.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена оптимизации технологии изготовления канальных оптических волноводов на подложках иЫЬСЬ методом низкотемпературного протонного обмена с последующим отжигом. Несмотря на то, что данная технология была предложена более 20 лет назад, известные из литературы результаты детальных исследований формирования протонно-обменных волноводов проводились в пленарной конфигурации волновода, для которой волноводные моды могут быть рассчитана аналитически, и хорошо отработана методика экспериментального исследования и восстановления профиля распределения показателя преломления методом призменного ввода. Однако для практических применений используются в основном канальные волноводы. Канальный волновод в сечении имеет двумерную структуру, рассчитать которую в большинстве случаев удается лишь численно.

В настоящей работе исследования формирования протонно-обменных волноводов проводились в канальной конфигурации волновода. Было предложено использовать ширину фотолитографической маски как дополнительный параметр оптимизации технологического процесса, что позволило изготавливать волноводы с наперед заданным профилем моды. В разделе 2.1. детально описана технология изготовления экспериментальных образцов. Одномодовые канальные волноводы для оптического излучения в диапазоне телекоммуникационных длин волн (1530 - 1580 нм) изготавливались на подложках ниобата лития Х-среза методом низкотемпературного протонно-ионного обмена с последующим отжигом на воздухе при различных технологических параметрах, в том числе при различной ширине фотолитографической маски, варьирующейся в диапазоне от 3 до 10 мкм. Результаты экспериментальных исследований профиля моды канальных оптических волноводов описаны в разделе 2.2. Для экспериментальных исследований профиля моды волновода была разработана оригинальная установка оптической зондовой микроскопии.

В разделе 2.3. описаны методы численного моделирование процессов формирования волноводов, изготовленных методом низкотемпературного протонно-ионного обмена, и процессов распространения волноводных мод по этим волноводам,

использующиеся для теоретического анализа. Для описания процесса формирования канального волновода методом низкотемпературного протонно-ионного обмена с последующим отжигом на воздухе была использована модель двухэтапной диффузии в двумерной геометрии поперечного сечения подложки. Первый этап представляет собой протонно-ионный обмен на поверхности ниобата лития, проводимый в расплаве бензойной кислоты. На первом этапе задается область с повышенной концентрацией ионов водорода и резкой ступенчатой границей. Геометрические размеры области определяются шириной маски в и длиной диффузии протонов Ь, которая зависит от времени протонного обмена 11.

где - коэффициент диффузии первого этапа, который используется в нашей модели в качестве подгоночного параметра. На втором этапе высокотемпературного отжига изменение пространственного распределения концентрации ионов водорода описывается уравнением диффузии с эффективным средним коэффициентом диффузии Рг, не зависящим от концентрации ионов водорода:

С учетом того, что глубина диффузии много меньше толщины подложки, подложка рассматривалась как полуплоскость с граничным условием на границе подложка-воздух - отсутствие потока ионов из подложки. Полученный из решения уравнения (2) профиль концентрации водорода пересчитывался в профиль приращения показателя преломления по известным из литературы коэффициентам для пленарных волноводов. Для поиска собственных мод канальных волноводов с рассчитанным профилем показателя преломления использовалась оригинальная модификация векторного метода конечных разностей, позволяющая существенно снизить ошибки вычислений при анализе диффузных канальных волноводов с резкой границей между подложкой и воздухом.

В разделе 2.4. проведено сопоставление результатов теоретического анализа и экспериментальных данных. Были определены условия изготовления канальных волноводов, которые обеспечивают сохранение электрооптических характеристик, близких к характеристикам объемного кристалла. Показано, что при изготовлении волноводов методом протонно-ионного обмена, ширина маски может служить дополнительным параметром, причем ширина маски влияет как на ширину, так и на

(1)

(2)

глубину волноводной моды. Продемонстрировано, что при изготовлении волноводов методом низкотемпературного протонного обмена с последующим отжигом можно подобрать такие технологические параметры и ширину маски, при которых размер волноводной моды практически не зависит от погрешности в изменении ширины маски в диапазоне ± 1-Й,5 мкм (Рис. 1). Данные условия важны с точки зрения практических применений, поскольку обеспечивают низкую чувствительность к погрешностям изготовления, особенно на стадии фотолитографии.

а) б)

Рис. 1. Зависимость размеров моды волновода от ширины маски (в) для различного времени протонного обмена: а) ширина моды; б) глубина моды. Точки -экспериментальные данные, линии - теоретические кривые при = 0.031 мкм*/ч, Иг = 1.2 мкм2/ч. Время протонного обмена: А - 20 мин, • - 50 мин. Время пост-обменного отжига: 4 часа для обоих образцов.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА описывает оригинальные результаты экспериментальных исследований возбуждения поверхностных плазмон-поляритонных мод в металлической пленке на поверхности канального оптического волновода в кристалле ниобата лития и создание на этом эффекте интегрально-оптического поляризатора.

В разделе 3.1. описываются физические принципы, лежащие в основе работы интегрально-оптического плазмон-поляритонного поляризатора, которые связаны с резонансным возбуждением плазмон-поляритонной волны в тонкой металлической пленке на поверхности волновода. Плазмон-поляритонная волна возбуждается на границе раздела металл - диэлектрик светом, поляризованным перпендикулярно границе раздела (ТМ-мода), и имеет высокий коэффициент затухания, связанный с омическими потерями в металле. Свет, поляризованный в плоскости границы с металлической

пленкой (ТЕ-мода) слабо взаимодействует с плазмон-поляритонной волной и практически весь отражается назад в волновод. Для эффективной перекачка энергии ТМ-моды в энергию плазмон-поляритонной волны требуется согласование фазовых скоростей. При заданных собственных модах оптического волновода согласование фазовых скоростей может быть обеспечено правильным выбором материала и толщины металлической пленки, а также введением дополнительного буферного диэлектрического слоя с диэлектрической проницаемостью, отличной от диэлектрической проницаемости волновода.

В разделе 3.2. описана оригинальная технология изготовления плазмон-поляритонного поляризатора на поверхности канального волновода в кристалле ниобата лития. В качестве материалов для изготовления плазмон-поляритонного поляризатора были выбраны металлическая пленка алюминия и диэлектрический буферный слой А12Оз. Данная комбинация материалов позволяет изготавливать поляризатор в одном технологическом цикле с использованием реактивного напыления в атмосфере кислорода, что обеспечивает высокую чистоту материалов и необходимую для согласования фазовых скоростей точность толщины слоев. Низкая стоимость алюминия по сравнению с золотом и серебром, а также простота изготовления делают предлагаемую технологию весьма привлекательной для массового производства.

В разделе 3.3. приведены результаты экспериментальных исследований плазмон-поляритонного поляризатора на поверхности канальных оптических волноводов, изготовленных на подложках ниобата лития по технологии термической диффузии титана для диапазона длин волн 1500 - 1600 нм. Варьируя толщину буферного диэлектрического слоя и толщину металлической пленки, были найдены условия максимального выделения ТЕ поляризации. Зависимость коэффициента выделения поляризации на единицу длины, представленная на Рис.2а, имеет максимум (19 дБ/мм), который соответствует оптимальной толщине диэлектрического буферного слоя АЬОз (ёь=15 нм). При данной толщине обеспечивается эффективная резонансная связь ТМ-моды с поверхностными плазмонами в металлической пленке, которая достигается за счет хорошего согласования фазовой скорости ТМ-моды в оптическом волноводе с фазовой скоростью плазмон-поляритонной волны, распространяющейся вдоль границы металл - диэлектрик. При длине поляризатора 3 мм, коэффициент выделения поляризации составит 57 дБ, а вносимые потери всего лишь 0,3 дБ, что удовлетворяет

самым высоким требованиям, предъявляемыми высокочувствительными волоконно-оптическими датчиками.

а)

б)

аь, нм

в)

50

100

150

Рис. 2. Зависимость коэффициента выделения поляризации на единицу длины: а) от толщины слоя ЛЬО; при толщине слоя А1 100 нм; в) от толщины слоя А1 при толщине

слоя ЛЬО) 15 нм. Зависимость вносимых оптических потерь поляризатора для прохождения ТЕ-моды: б) от толщины слоя ЛЬОт, при толщине слоя А1 100 нм; г) от толщины слоя А1 при толщине слоя АЬОз 15 нм.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты теоретического и экспериментального исследования электрооптического управления условиями дифракции на Брэгговских решетках в объемной конфигурации. Приложение внешнего электрического поля изменяет показатель преломления кристалла, что влечёт за собой изменение длины волны света в кристалле.

В разделе 4.1 даётся критерий электрической селективности Брэгговских решеток в электрооптических материалах, который вводится как удвоенное значение внешнего электрического поля, при котором дифракционная эффективность падает в два раза по сравнению с максимумом. Показано, что для голографических решеток в фоторефрактивных кристаллах, для которых выполнено условие малой амплитуды

решетки (п]< 1С4) при пренебрежении пьезоэффектом (10-15% от действия электрооптики), электрическая селективность может быть выражена через изменение среднего показателя преломления Дп, вызванного приложением электрического поля:

Дп/п =Л/Ц (3)

где Ь - длина решетки. Таким образом, приложение внешнего электрического поля и изменение за счет электрооптического эффекта среднего показателя преломления приводит к изменению центральной длины волны отражения и эквивалентно, с точки зрения селективных свойств, изменению длины волны света, а электрическая селективность определяется теми же параметрами, что и спектральная селективность Брэгговской решетки.

В разделе 4.2 проводится расчёт оптимальной ориентации кристаллов ЫЫЬОз и ВаТЮз для электрооптического управления Брэгговскими решетками. Для эффективного управления условиями дифракции необходимо использовать геометрию поперечного электрооптического эффекта и ориентацию кристалла, в которой работает максимальный электрооптический коэффициент. Такая ориентация кристаллов противоречит стандартной конфигурации голографической записи фоторефрактивных Брэгговских решеток, для которой должны выполняться условия эффективного переноса фотовозбужденных носителей заряда за счет фотогальванического тока параллельного оптической оси и использования максимального электрооптического коэффициента в конфигурации продольного электрооптического эффекта для поля пространственного заряда. Представлен теоретический анализ, учитывающий анизотропию электрооптического эффекта и процессов формирования анизотропной Брэгговской решетки. Ориентационные теоретические зависимости эффективного электрооптического коэффициента для управляющего электрического поля в конфигурации поперечного электрооптического эффекта и амплитуды фоторефрактивной решетки при фиксированных условиях записи (интенсивность и длина волны записывающего света, контраст интерференционной картины, концентрация примесных центров) приведены на Рис.3.

Рис.3. Ориентационные зависимости эффективного электрооптического коэффициента (пунктир, 1) и амплитуды решетки (сплошная линия,2) для необыкновенной поляризации, выделенные сектора - оптимальная ориентация кристалла для электрического управления, б: ЬлТЧЬОз, в: ВаТЮз.

Максимальное значение гегг к 40 пм/В для кристалла и]ЧЬОз достигается для необыкновенной поляризации, когда угол (а) между направлением управляющего электрического поля и оптической осью С составляет примерно ± (30° - 50°). Из приведённых зависимостей для ге]г и П[ видно, что в случае ориентации, оптимальной для электрооптического управления а ± (30° - 50°), теоретическое значение амплитуды фоторефрактивной решетки П| достаточно большое, чтобы при длине решетки ~ 1 см, теоретически возможно формирование фоторефрактивной решетки с дифракционной эффективностью выше 95%.

Для кристалла ВаТЮз оптимальной ориентации соответствует угол наклона оптической оси а » 35°, а соответствующее оптимальной ориентации значение эффективного электрооптического коэффициента для необыкновенной поляризации гегг ~ 677 пм/В, что почти в семнадцать раз больше, чем для ниобата лития.

Раздел 4.3 посвящен экспериментальным исследованиям электрооптического управления дифракцией на объёмных фоторефрактивных Брэгговских решетках в иКЬОз:Ре (от 0.01 до 0.5 весовых процента). Ориентация всех образцов была близкой к оптимальной для электрооптического управления. Длина образцов Ь = 7 - 10 мм. На противоположенных гранях образцов в геометрии поперечного электрооптического эффекта были изготовлены электроды управления, зазор между электродами (толщина образцов) составлял 1 - 3 мм.

Утравляющее электрическое поле Е, кВ/см

Расстройка длины волны ДХ, лм

Рис.3. Зависимости дифракционной эффективности от прикладываемого электрического поля (кривая ) и от изменения длины волны считывающего света (кривая 2 ). Сплошная линия - теоретический расчет. Запись на длине волны 783.120 нм, без

внешнего поля.

Благодаря длительному времени хранения записанных Брэгговских решеток (несколько дней), при исследованиях в кристаллах ниобата лития процессы записи и исследования электрооптического управления были разнесены во времени. Брэгговские решетки формировались в процессе голографической записи во встречных пучках. Исследование управлением условиями дифракции и спектральными характеристиками записанных Брэгговских решеток проводилось в геометрии на отражение, считывающим светом с длиной волны в том же спектральном диапазоне, в котором лежит длина волны записывающего света, но со значительно меньшей интенсивностью. Исследовалась зависимость дифракционной эффективности решетки от величины прикладываемого управляющего электрического поля. Экспериментальная зависимость в целом хорошо согласуется с теоретической, рассчитанной для соответствующего ориентации кристалла эффективного электрооптического коэффициента (Рис. 4). Экспериментально продемонстрировано, что для решетки длиной 1.-9.25 мм спектральная селективность составляет 18 пм, а электрическая селективность ДЕк2.05 кВ/см. Однако при некоторых экспериментальных условиях экспериментально измеренное положение максимума зависимости дифракционной эффективности от внешнего поля отличалось от теоретически ожидаемого. Подробное объяснение данного эффекта дано в разделе 4.4. Экспериментально продемонстрирован электрически переключаемый оптический фильтр, использующий комбинацию спектрального и электрического мультиплексирования Брэгговских решеток, содержащий 7 спектральных каналов.

Спектральная селективность каждого канала составила »18 пм, полный диапазон перестройки ± 108 пм, управляющие поля ± 12.3 кВ/см.

В разделе 4.4. представлены результаты исследований влияния фотогальванического поля на условия дифракции Брэгга. Экспериментально обнаружено, что во время голографической записи Брэгговских решеток в образце LiNbOj возникает однородное фотогальваническое поле, которое изменяет средний показатель преломления, а, следовательно, условия Брэгга. После записи (при хранении кристалла в темноте или освещении считывающим светом малой интенсивности) фотогальваническое поле релаксирует, поэтому при считывании голограммы для достижения максимума дифракционной эффективности необходимо приложить внешнее электрическое поле, обеспечивающее изменение среднего показателя преломления, такое же, как за счет однородного фотогальванического поля. Использование косой ориентации кристалла LiNbOj, оптимальной для электрооптического управления, сделала данный эффект ярко выраженным. Кроме того, в косой геометрии технически трудно обеспечить короткозамкнутые условия для фотогальванического тока. Наиболее неприятным фактом, с точки зрения практических применений, является временная нестабильность этого дополнительного электрического поля и его зависимость как от условий считывания, так и от условий записи решетки. Экспериментально было обнаружено усиление эффекта с ростом интенсивности записывающего света (линейная зависимость стационарного значения дополнительного электрического поля от интенсивности во время записи), хотя стационарное значение фотогальванического поля в условиях, когда фотопроводимость материала значительно больше его темновой проводимости, не зависит от интенсивности.

Была разработана упрощенная теоретическая модель, позволившая объяснить зависимость стационарного значения фотогальванического поля от условий записи Брэгговской решетки. В данной модели образец нагружается на постоянное внешнее нагрузочное сопротивление R/. Для рассматриваемого случая было получено аналитическое выражение для однородного фотогальванического поля:

где Я,„, - внутреннее сопротивление образца, а - коэффициент поглощения, G -постоянная Гласса, ¡о - средняя интенсивность записывающего света, т - контраст

int

(4)

интерференционной картины, 5 - площадь поперечного сечения образца. В случае, когда Л/« « /?/ выражение (4) сводится к хорошо известной формуле для фотогальванического поля, где поле не зависит ни от интенсивности света, ни от контраста интерференционной картины, поскольку при анализе пренебрегается темновая проводимость, а пространственная модуляция фотогальванического тока полностью компенсируется пространственной модуляцией фотопроводимости. Однако в случае когда /?,„, »Я/ ситуация радикально меняется. Однородное фотогальваническое поле становится зависящим от интенсивности света и контраста интерференционной картины, что и было подтверждено экспериментально (Рис 4).

8 § 2 Г

..........

!

.............

;..........

Интенсивность записывающего света, Вт/см'

Контраст интерференционной картины, т

Рис. 4. Зависимости стационарного фотогальванического поля от интенсивности записывающего света (а) и от контраста записываемой интерференционной картины (б).

Раздел 4.5. посвящен исследованиям электрооптического управления Брэгговскими решетками в кристалле ВаТЮз:Со (0.2 и 0.1 весовых процента). Особенностью экспериментов было то, что были использованы так называемые «динамические» фоторефрактивные решетки, которые записываются в образце при освещении интерференционной картиной и быстро релаксируют в темноте или при однородной засветке. Таким образом, для поддержания решетки внутри образца его постоянно засвечивали интерференционной картиной, сформированной двумя лучами на длине волны Х„,=532 нм в геометрии записи на пропускание. Для считывания использовался лазер с перестраиваемой длиной волны (^,=1456-1583 нм) в геометрии на отражение. За счёт подбора угла между записывающими лучами (0=49 - 51°) решетка имела период, удовлетворяющий условиям дифракции Брэгга в отражающей геометрии для используемого диапазона считывающих длин волн.

Xr - 2Ari 2sine

А«

е>в

'¡п ■о

1, 4 Л

Рис.5. Геометрия записи-считывания динамических решеток в ВаТЮз. А,В -записыавающие лучи, длина волны A,w, 0 - угол записи, 11П - считывающий луч, 1| -продифрагировавший (отраженный) луч, 1о - нулевой порядок дифракции. Слева показаны условия для наблюдения дифракции в отражающей геометрии.

Экспериментально наблюдаемая спектральная селективность динамических Брэгтовских решеток составляла 12 пм и А/.-52 пм, для решеток длиной 5 и 9 мм соответственно. Дифракционная эффективность превышала 80%. Изменение угла между записывающими лучами приводит к изменению периода решетки, что в свою очередь приводит к изменению длины волны Брэгга >.ц для считывающего света. Используя такой метод оптического управления условиями дифракцией, экспериментально продемонстрирована перестройка >щ в диапазоне 1482.5...1560.0 нм. Время перестройки в этом случае определялось временем перезаписи новой фоторефрактивной решетки и составляет 0.5...0.7 с при интенсивности записывающего света 25 мВт/см2. Экспериментально продемонстрировано электрооптическое управление длиной волны Брэгга Ац в диапазоне ±0.255 нм. Время электрооптической перестройки 80...90 не, управляющее электрическое поле +640 В/см, что хорошо согласуется с расчётными данными. Увеличение управляющего поля выше 1 кВ/см приводило к появлению полидоменной структуры в образце, что и ограничивало диапазон перестройки. Время перестройки было ограничено ёмкостью структуры электрод-кристалл-электрод.

В разделе 4.6 исследуется возможность использования фоторефрактивных динамических решеток для измерения малых изменений углов. Принцип работы такого интерферометра заключается в измерении угла между записывающими лучами по сдвигу центральной длины волны передаточной характеристики. Экспериментально показано, что угловая чувствительность такого интерферометра «10~8 радиан («5.7 х 10"7

углового градуса). Приводится оценка возможных погрешностей измерений.

ПЯТАЯ ГЛАВА представляет результаты теоретических и экспериментальных исследований оригинального метода гибкого управления не только центральной длиной волны отражения, но формой спектральной характеристики фоторефрактивных Брэгговских решеток в объемном и интегрально-оптическом исполнении. Физический принцип данного метода основан на создании внутри решетки управляемых скачков фазы и среднего показателя преломления.

В разделе 5.1 представлены результаты теоретического анализа спектральных характеристик фоторефрактивных Брэгговских решеток со скачками фазы и среднего показателя преломления. Данный анализ базируется на методе матриц переноса, где решетка представляется в виде однородных секций, дифракция на которых (для решетки с малой амплитудой в случае фоторефрактивной записи) описывается теорией связанных волн. Подчеркнем, что вклады разных секций складываются когерентно с учетом фазовых соотношений, и именно фазовые соотношения главным образом отвечают за изменение формы спектральной характеристики. В ходе теоретического анализа были определены наиболее интересные случаи изменения формы спектральной характеристики, которые в дальнейшем были реализованы экспериментально.

Рис.6. Создание управляемых скачков фазы в динамической фоторефрактивной решетке. 1 - ЖК модулятор модулятор, состоящий из независимо управляемых элементов.

Раздел 5.2 посвящен экспериментальной реализации управления формой спектральной характеристики на динамических фоторефрактивных решетках в ВаТЮз. Предложен оригинальный метод создания управляемых фазовых сдвигов в динамической Брэгговской решетке, путем пространственной фазовой модуляции волнового фронта записывающих лучей с помощью ЖК модулятора (Рис.6).

Приводятся результаты численного расчёта и экспериментальных измерений спектральной предаточной характеристики для случая решетки, состоящей из 1-ой, 2-х, 3-х,

пять секций голограммы со сдвинутой фазой

и 5-ти секций с различными фазами (Рис.7).

расчёт

фазовая структура голограммы

ооооо

(а)

(в)

0 118° 0 118° О

(г)

ш 0 180° 115° 180" О 2ф"

р-н

— Э.5 нм

„Л —

а

эксперимент

1568.0 1569.0

1568.0 1569.0

II

л I и

1568.0 1569.0

I

1 1

1568.0 1569.0 длина волны нм

Рис.7. Демонстрация динамического управления спектральной передаточной характеристикой фоторефрактивной Брэгговской решетки за счёт фазо-сдвинутых

секций.

Найдены фазовые соотношения, которые позволяют не только менять форму передаточной характеристики, но даже создавать передаточные характеристики с 2-мя полосами пропускания (для решетки из З-секций) и с 2-мя, 3-мя и 4-мя полосами (для решетки из 5-ти секций). Продемонстрирована возможность создания передаточной характеристики с П-образным профилем. Характерное время переключения между состояниями определяется временем перезаписи фоторефрактивной решетки (доли секунды для используемых образцов).

Раздел 5.3. описывает экспериментальные результаты демонстрации электрооптического управления спектральной характеристикой фиксированных Брэгговских решеток в интегрально-оптическом исполнении на подложке ниобата лития.

На первом этапе изготовления демонстратора ■ стандартным методом многокомпонентного легирования на подложке ЬГЫЬОз был сформирован канальный оптический волновод. Термическая диффузия ионов титана обеспечивала сформирование волноводного канала с повышенным показателем преломления, величина разницы показателя преломления канала и подложки составляла 0,001. Дополнительное легирование ионами меди обеспечивает повышение фоточувствительности материала на длине волны 532 нм, что в дальнейшем использовалось для голографической записи Брэгговской решетки. Далее на поверхности волновода была сформирована система из 8 пар управляющих электродов, позволяющая прикладывать внешнее электрическое поле с различным пространственным распределением в геометрии поперечного электрооптического эффекта. Брэгговская решетка внутри интегрально-оптической структуры формировалась путем голографической записи с одновременным термическим фиксированием. Аналогично случаю записи динамических фоторефрактивных решеток, запись проводилась на длине волны 532 нм в пропускающей геометрии, в то время как считывание осуществлялось в отражающей геометрии фундаментальной модой оптического волновода в диапазоне длин волн 1500-1600 нм. Было изготовлено несколько образцов термически фиксированных решеток с дифракционной эффективность более 95%, в которых не наблюдается деградации дифракционной эффективности с момента изготовления по настоящее время (более 2-х лет). Образцы интегрально-оптических структур стыковались со стандартным одномодовым оптическим волокном (8МБ 28). Типичное значение вносимых оптических потерь (из входного волокна в выходное) составляло 5 дБ. В экспериментах исследовались спектральные зависимости пропускания интегрально-оптической Брэгговской решетки при различном пространственном распределении внешнего электрического поля. Приложение однородного внешнего электрического поля приводит к смещению центральной длины волны отражения без изменения формы спектральной характеристики. Экспериментально продемонстрирована непрерывная перестройка центральной длины волны в диапазоне + 0.3 нм для области телекоммуникационных длин волн (1500 - 1600 пш) (Рис.8).

в

=с 1

<и

£ 0.8

0

® 0.6

1 0.4

о. С

=1

: о.2

ю-

-10'

о

А Лч \ ? 1 1

\, 11

ч» II

/1 ^ /

-0 4

-0.2 0 02 Расстройка, нм

0 4

II2

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 Расстройка, нм

4 1

а) 1

£0.8 о

®0.6 10.4

о 0.2

О.

с о

5

£ Ю-

ч <> »л. V гт *

V 3 и и

м \ч \\7

и

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 Расстройка, нм

-10'

0")

Г/8_ Ь'

Рис.8. Интегрально оптический демонстратор (а). Электрооптическая перестройка центральной длины волны для ТЕ моды (б). Электрооптиическое управление формой спектральной характеристики Брэгговской решетки (в, г).

Высокая скорость и точность перестройки даже в таком относительно узком спектральном диапазоне может быть весьма интересна для захвата и стабилизации длины волны лазеров и создания режима модуляции несущей в системах опроса волоконно-оптических датчиков. Экспериментально продемонстрировано оперативное электрическое управление формой спектральной характеристики фоторефрактивной Брэгговской решетки в канальном оптическом волноводе на кристалле и№Оз (Рис.8). Данный режим управления представляет интерес для областей применения, где необходима спектральная выборка и контроль большого числа дискретных спектральных каналов в широком диапазоне длин волн. Например, в системах оптических телекоммуникаций, использующих спектральное уплотнение. Для этих применений несколько интегрально-оптических Брэгговских решеток с разными

центральными длинами волн отражения может быть сформировано на одной подложке. Коэффициент отражения от каждой решетки может контролироваться путем независимого приложения соответствующего неоднородного электрического поля к каждой отдельной решетке. Набор таких решеток может использоваться для построения управляемых спектральных мультиплексоров, селективных оптических аттенюаторов и модуляторов, осуществляющих модуляцию только на заданных длинах волн света, для создания эквалайзеров оптической мощности и в качестве переключателя длин волн в резонаторах перестраиваемых лазеров.

В разделе 5.4. предлагается использовать управление спектральной характеристикой интегрально-оптических Брэгговских решеток для частотной модуляции и спектрального кодирования оптических сигналов. Приведены результаты экспериментальной демонстрации формирования, передачи и детектирования частотно модулированного оптического сигнала при помощи электрооптических управляемых брэгговских решеток. Разработанный новый тип интегрально-оптического частотного модулятора обеспечивает высокий параметр девиации частоты 25 ГГц без значительных изменений мощности выходного сигнала. Более гибкое изменение формы спектральной характеристики Брэгговских решеток предложено использовать при разработке и реализации новых форматов модуляции, потенциально обеспечивающих более высокую помехозащищенность и устойчивость к нелинейным эффектам в оптическом волокне.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработаны методы анализа формирования канальных оптических волноводов на подложках Ь1ЫЬО) по технологии низкотемпературного протонного обмена с последующим отжигом. Отработана технология получения заданного профиля распределения интенсивности в волноводной моде. Определен набор технологических параметров, при которых размер пятна волноводной моды практически не зависит от погрешности в изменении ширины маски в диапазоне ± 1-Й,5 мкм, что обеспечивает высокую устойчивость к погрешностям изготовления, особенно на стадии фотолитографии.

2. Определена оптимальная конфигурация, обеспечивающая резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн в металлической пленке А1 с диэлектрическим подслоем А12Оз на одномодовых оптических волноводах для длины

волны света 1550 нм, согласованных со стандартным оптическим волокном 5МР-28. Разработана оригинальная технология, позволяющая изготавливать плазмон-поляритонный поляризатор в одном технологическом цикле. Простота технологии и использование дешевых материалов делает ее весьма привлекательной для массового производства. При толщине металлической пленки алюминии более 100 нм и толщине диэлектрического буферного слоя АЬОз 15 нм коэффициент выделения поляризации на единицу длины составляет 19 дБ/мм, а вносимые поляризатором оптические потери 0,1 дБ/мм. При длине поляризатора 3 мм, коэффициент выделения поляризации составляет 57 дБ, а вносимые потери всего лишь 0,3 дБ, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым волоконно-оптическими датчиками высокой точности.

3. Проведен детальный анализ оптимальной ориентации фоторефрактивных сегнетоэлектриков для электрооптического управления записанными в них Брэгговскими решетками. Определены оптимальные ориентации для кристаллов: ОЫЬОз и ВаТЮз. Проведена экспериментальная демонстрация электрооптического управления фиксированной Брэгговской решетки в ниобате лития и динамической решетки в титанате бария. Теоретические оценки хорошо согласуются с результатами эксперимента.

4. При топографической записи Брэгговских решеток в кристалле ниобата лития обнаружено изменение условий дифракции, вызванное фотогальваническим эффектом. Разработана теоретическая модель, описывающая появление однородного электрического поля при записи голограмм, в которой кристалл нагружается на внешнее сопротивление. Сделано предположение о том, что поверхностное сопротивление кристалла может играть существенную роль в формировании эффективного сопротивления нагрузки. Результирующее электрическое поле, вызывающее изменение условий Брэгга, растет с увеличением интенсивности записывающего света и падает с увеличением контраста интерференционной картины. Путем уменьшения интенсивности записывающего света или снижения внешней нагрузки (металлизация образца) возможно уменьшить нежелательный электрический сдвиг.

5. Предложен новый метод управления дифракцией оптического излучения и формой спектральной характеристики Брэгговских решеток путем создания управляемых скачков фазы и среднего показателя преломления. Проведен детальный теоретический анализ спектральных характеристик фоторефрактивных Брэгговских

решеток со скачками фазы, периода и среднего показателя преломления.

6. Впервые экспериментально продемонстрировано гибкое управление формой спектральной характеристики динамической голографической решетки в кристалле ВаТЮ3.

7. Впервые реализовано электрооптическое управление формой спектральной характеристики Брэгговской решетки в интегрально-оптическом исполнении на подложках LiNb03. Экспериментально продемонстрирована возможность формирования, передачи и детектирования частотно модулированного оптического сигнала при помощи электрооптических управляемых интегрально-оптических Брэгговских решеток. Предложены новые форматы модуляции оптических сигналов с использованием модуляции формы оптического спектра.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Петров М.П., Шамрай А.В., Петров В.М. Зобулис И.С. Поляризационные эффекты связанные с двухволновым взаимодействием в кристаллах титаната и силликата висмута // ФТТ. - 1997 -т.39, вып.11 -С.1990-1994.

2. Petrov М.Р., Shamray A.V., Petrov V.M. Spectral and Electric field multiplexing of Volume Holograms and the potential of these techniques for Holographic Memory // Optical Memory & Neural Networks. - 1998. - Vol.7, N1 - P.19-35.

3. Shamray A.V., Petrov V.M., Petrov M.P. Electric field multiplexing in volume LiNb03 holograms //Proc. SPIE.- 1998.-Vol.337-P. 75-83.

4. Петров М.П., Шамрай A.B., Петров В.М. Электрически управляемая дифракция света на отражательных голограммах в кристалле LiNb03 // ФТТ. - 1998. - т.40, вып.6 - С.1038-1041.

5. Petrov М.Р., Shamray A.V., Petrov V.M., J. Sanchez Mondragon. Electric field selectivity of reflection volume holograms in LiNb03 // Opt. Comm. - 1998. - Vol. 153 - P.305-308.

6. Шамрай A.B., Петров М.П., Петров В.М. Перекрёстные помехи, вызванные некогерентностью считывающего света при спектральном мультиплексировании отражательных голограмм // ЖТФ. - 1999. - т.44. вып.9 - С. 1098-1102.

7. Chamrai A.V., Petrov М.Р., Petrov V.M. Optimal configuration of electric field multiplexing of volume holograms in photorefractive ferroelectrics // OSA TOPS, Advances in Photorefractive Materials, Effects and Devices, - 1999 - Vol. 27, P. 515 - 521.

8. Petrov V.M., Denz C., Shamray A.V., Petrov M.P., Tschudi T. Electric field selectivity and multiplexing of volume holograms in LiNb03 // Appl. Phys.B - 2000 - Vol.71 - P.43-46.

9. Petrov V.M., Denz C., Chamrai A.V., Petrov M.P. Tschudi T. The effect of a photovoltaic field on the Bragg condition for volume holograms in LiNb03 И Appl. Phys.B - 2001. - Vol.72 - P.701 -705.

10. Petrov V.M., Denz C., Tschudi Т., Chamrai A.V., Petrov M.P., Effect of a photovoltaic field on the Bragg condition in LiNb03 // OSA TOPS, Advances in Photorefractive Materials, Effects and Devices - 2001. - Vol.62 - P.464-469.

11. Grachev A.I., Chamrai A.V., Petrov M.P., Developing of the thermally fixed holograms in the case of photovoltaic mechanism of recording // OSA TOPS, Advances in Photorefractive Materials,

Effects and Devices - 2001. - Vol.62 - P.203-211.

12. Petrov V.M., Denz C., Chamrai A.V., Petrov M.P., Tschudi T. Electrically controlled volume LiNb03 holograms for wavelength demultiplexing systems // Optical Materials. - 2001. - Vol. 18 -P. 191-194.

13. Petrov M.P., Petrov V.M., Chamrai A.V., Denz C., Tschudi T. Electrically controlled holographic optical filter// Proc. of 27-th European Conference on Optical Communication "ECOC'Ol-Amsterdam" - 2001. - Vol.4 - P.628-629.

14. Петров М.П., Шамрай А.В., Петров B.M., Паугурт A.II. Способ записи голографических дифракционных решеток в объеме фотчувствительного материала. Патент РФ № 2199769 (приоритет от 27.02.2003).

15. Петров М.П., Шамрай А.В., Петров В.М., Паугурт А.П. Способ спектральной фильтрации оптического излучения. Патент РФ № 2202118 (приоритет от 10.04.2003).

16. Petrov V.M., Chamrai A.V., Petter J., Tschudi Т., Petrov M.P. Tunable optical filters based on photorefractive gratings // Proc. SPIE - 2003. - Vol.5135 - P. 123-129.

17. Petrov V.M., Lichtenberg S., Petter J., Tschudi Т., Chamrai A.V., Petrov M.P. A dynamic wavelength Bragg-filter with an on-line controllable transfer function // OSA TOPS, Advances in Photorefractive Materials, Effects and Devices - 2003. - Vol.87 - P.564-570.

18. Petrov V.M., Lichtenberg S., Petter J., Tschudi Т., Chamrai A.V. Electrically tunable and switchable photorefractive optical filters // OSA TOPS, Advances in Photorefractive Materials, Effects and Devices - 2003. - Vol.87 - P.582-587.

19. Petrov V.M., Lichtenberg S., Petter J., Tschudi Т., Chamrai A.V. Adaptive interferometer with a femtometer-band resolution based on volume photorefractive holograms // OSA TOPS, Advances in Photorefractive Materials, Effects and Devices - 2003. - Vol.87 - P.588-594.

20. Petrov V.M., Lichtenberg S., Petter J., Tschudi Т., Chamrai A.V., Bryksin V.V., Petrov M.P. Optical on-line controllable filters based on photorefractive crystals // J. Opt. A.: Pure Appl. Opt. -2003,- Vol.5 -P.471-476.

21. Petrov V.M., Lichtenberg S., Chamray A.V., Petter J., Tschudi T. Controllable Fabry - Perot interferometer based on dynamic volume holograms // Thin Solid Films - 2004 - Vol.450, N1 -P. 178-182.

22. Петров М.П., Шамрай А.В., Козлов А.С., Ильичев И.В. Электрически управляемый интегрально оптический фильтр// Письма в ЖТФ. -2004. -т.30,-С.75-81.

23. Lichtenberg S., Petrov V.M., Petter J., Tschudi Т., Chamrai A.V., Petrov M.P. Polarization dependence of two-wave mixing in counterpropagating geometry in sillenite crystals // Ukranian Journal of Physics - 2004 - Vol. 5 - P. 467 - 472.

24. Петров B.M., Лихтенберг С., Шамрай А.В. Спектральный оптический фильтр с управляемой передаточной характеристикой на основе динамических объемных голограмм в титанате бария // ЖТФ. - 2004. - т.74 - С.56-60.

25. Петров М.П., Шамрай А.В., Ильичев И.В., Козлов А.С. Оптический элемент и способ управления его спектральной характеристикой, система оптических элементов и способ управления системой. Патент РФ № 2248022 (приоритет от 10.03.2005).

26. Shamray A.V., llichev I.V., Kozlov A.S., Petrov M.P. Electrically controlled integrated optical Bragg gratings for wavelength switching and wavelength stabilization // OSA TOPS, Advanced Solid - State Photonics - 2005. - Vol.98 - P.703-707.

27. Shamray A.V., llichev I.V., Kozlov A.S., Petrov M.P. Electrically controlled integrated optical Bragg gratings for wavelength switching and wavelength stabilization // OSA TOPS, Advances in

Photorefractive Materials, Effects and Devices - 2005. - Vol.99 - P.782-787.

28. Shamray A.V., Kozlov A.S., Ilichev I.V., Petrov M.P. A novel integrated optical device for wavelength control in optical telecommunication systems// Proc. 2nd Int. Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers, CAOL 2005, ISBN: 0-7803-91130-6 - 2005 - Vol.2 - P.172 - 175.

29. Шамрай A.B., Ильичев И.В., Козлов A.C., Петров М.П. Новый метод управления формой спектральной характеристики Брэгговских решеток в электрооптических материалах // Квантовая электроника - 2005 - т. 35 — С.734-740.

30. Shamray A.V., Kozlov A.S., Ilichev I.V., Petrov M.P. A novel integrated optical modu-lator for frequency shift keying of optical signals // IEEE Proc, 17th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2007) ISBN: 978-966-335-014-1 - 2007 - C. 916 - 917.

31. Arora P., Il ichev I. V., Chamray A.V., Kozlov A.S., Petrov V.M., Petter J., Tschudi T. Integrated optical filter with fast electrically reconfigurable transfer function // Proc OFC/NFOEC Optical Fiber Commun. Nat. Fiber Optics Eng. Conf. - 2007 - Р.Й4348408-//4348411

32. Шамрай A.B., Ильичев И.В., Козлов A.C., Петров М.П. Демонстрация частотной модуляции оптических сигналов с высоким параметром девиации частоты // Квантовая электроника -2008 - т. 38 Jfe 3 - С.273-275.

33. Shamray A.V., Kozlov A.S., Ilichev I.V., Petrov M.P. A novel modulation format based on the change of an optical spectrum shape // Proc. SPIE. - 2008 - Vol. 6896, 68960V.

34. Shamray A.V., Kozlov A.S., Ilichev I.V., Petrov M.P. A novel integrated optical device for spectral coding in OCDMA networks // Proc. SPIE. - 2008 - Vol. 6996,69961J.

35. Shamray A.V., Kozlov A.S., Ilichev I.V., Petrov M.P. A novel integrated optical scanning filter for interrogation of fiber Bragg grating sensors // Proc. 8lh Int. Conference on Optical Technologies for Sensing and Measurements, OPTO 2008 Photonics Metrology, ISBN: 978-3-9810993-3-1 -2008 -P.167- 170.

36. Ильичев И.В., Козлов A.C., Гаенко П.В., Шамрай А.В. Оптимизация технологии изготовления канальных протонообменных волноводов в кристаллах ниобата лития // Квантовая электроника-2009-т. 39 № 1 -С.98-104.

37. Shamray A.V., Kozlov A.S., Ilichev I.V. Application of controllable photorefractive Bragg gratings for spectral coding of optical signals // Proc. Topical Meeting Advances in Photorefractive Materials, Effects and Devices, Control of Light and Matter, ISBN: 978-3-00-027892-1 - 2009 -P.234-235.

38. Ильичев И.В., Тогузов Н.В., Шамрай А.В. Плазмон-поляритонный поляризатор на поверхности канальных одномодовых волноводов в ниобате лития // Письма в ЖТФ - 2009 -т. 35-С.97-103.

39. Ильичев И.В., Тогузов Н.В., Шамрай А.В. Оптимальная конфигурация пленочного интегрально-оптического поляризатора на подложках ниобата лития// НТВ СПбГПУ- 2009 -т. 83-С. 103 - 107.

40. Shamray A.V., Kozlov A.S., Ilichev I.V., Petrov V.M. Controllable holographic optical filters in photorefractive crystals // Journal of Holography and Speckle - 2009 - Vol. 5 - P.l-10.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 27.10.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 6628Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76