Распространение света в одномерных периодических волноводных структурах со сложной топологией в кристаллах ниобата лития

Каншу, Андрей Владимирович

Распространение света в одномерных периодических волноводных структурах со сложной топологией в кристаллах ниобата лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Каншу, Андрей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Распространение света в одномерных периодических волноводных структурах со сложной топологией в кристаллах ниобата лития»

Автореферат диссертации на тему "Распространение света в одномерных периодических волноводных структурах со сложной топологией в кристаллах ниобата лития"

На правах рукописи

Каншу Андрей Владимирович

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ОДНОМЕРНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУРАХ СО СЛОЖНОЙ ТОПОЛОГИЕЙ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05 - оптика

5 ЙЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2013

005542501 1

005542501

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», на кафедре сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Шандаров Владимир Михайлович

Научный консультант: доктор, профессор Детлеф Кип (Университет

имени Гельмута Шмидта, Гамбург, Германия)

Официальные оппоненты:

Сазонов Сергей Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», ведущий научный сотрудник

Севостьянов Олег Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет», кафедра экспериментальной физики, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Южно-Уральский

государственный университет», г. Челябинск

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36 (Главный корпус, аудитория 119).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан 20 ноября 2013 г.

Ученый секретарь г^ЬГ*^у

диссертационного совета О^^РКо Пойзнер Борис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость темы.

Изучение закономерностей распространения оптического излучения в фотонных кристаллах является объектом интенсивных исследований в течение последних двадцати лет. Такой повышенный интерес определяется богатым потенциалом фотонных структур в управлении светом и возможностью их применения в качестве базовых компонентов в оптических системах связи и устройствах оптической обработки информации [1].

Фотонный кристалл представляет собой материал, в котором пространственная модуляция показателя преломления осуществлена с периодом, сравнимым с длиной волны распространяющегося в нём оптического излучения. Одним из примеров реализации подобной структуры является периодическая система связанных оптических канальных волноводов. Методика изготовления таких волноводных структур хорошо отработана в фоторефрактивных кристаллах ниобата лития (LiNbOj) [2]. Данный материал проявляет нелинейно-оптические свойства при мощностях света в единицы микроватт, и обладает сильно выраженным фотовольтаическим эффектом, что позволяет получить оптически индуцированное изменение показателя преломления без приложения внешнего электрического поля. Это даёт возможность исследовать характеристики линейного и нелинейного распространения света в волноводных структурах, сформированных в подложке иМЬОз. При этом особый интерес представляют волноводные структуры со сложной топологией, так как такие оптические структуры проявляют новые уникальные явления при распространении в mix света и предлагают новые возможности в управлении оптическим излучением [3, 4]. Помимо применения волноводных структур для пространственного преобразования световых полей в приборах и устройствах, они также могут использоваться для исследования оптических аналогов эффектов наблюдаемых

в физике твердого тела, атомной и квантовой физике, в силу схожести описывающих их математических выражений [5].

Таким образом, изучение закономерностей распространения оптического излучения в волноводных структурах со сложной топологией является, несомненно, актуальным как с точки зрения получения фундаментальных знаний об особенностях взаимодействия оптического излучения с веществом, имеющим пространственно-неоднородное распределение физических параметров, так и в плане практического использования выявленных закономерностей при создании оптических приборов и устройств.

Цель работы состояла в выявлении закономерностей распространения света в одномерных периодических волноводных структурах со сложной топологией, сформированных в кристаллах ниобата лития, а именно:

1) в одномерной периодической волноводной структуре со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении;

2) вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур с разными параметрами;

3) в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

- отработка методики формирования периодических волноводных структур со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении путём последовательного формирования оптических линейных неоднородностей с помощью сфокусированного светового пучка;

- исследование влияния глубины оптической модуляции показателя преломления стационарной волноводной структуры на распространение в ней света;

- исследование линейных и нелинейных эффектов, наблюдаемых при распространении оптического излучения вблизи общей границы двух различных одномерных периодических волноводных структур;

- исследование линейных и нелинейных эффектов, наблюдаемых при распространении света в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач в работе использовались следующие экспериментальные методы:

- для формирования периодической волноводной структуры со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении применялся метод последовательного формирования оптических линейных неоднородностей на поверхности образца с помощью сфокусированного пучка света;

- при исследовании линейных и нелинейных эффектов, связанных с распространением световых пучков в волноводных структурах, применялся метод торцевого ввода оптического излучения и метод регистрации распределения интенсивности света на выходной плоскости образца с помощью анализатора лазерных пучков.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Реконфигурируемая модификация профиля показателя преломления в поперечном направлении стационарной волноводной структуры, сформированной диффузией титана в фоторефрактивном кристалле ЬПМЬОз, реализуема контролируемым образом, путём последовательного изменения профиля показателя преломления отдельных волноводных элементов (на величину не более Дп~10'3) за счёт перемещения с постоянной скоростью вдоль волноводных каналов сфокусированного на поверхности образца пучка света.

2) При линейном режиме распространения света с длиной волны Х=532 нм в одномерной периодической волноводной структуре (сформированной диффузией титана в кристаллической подложке 1Л\1ЬОз:Си) с амплитудой изменения показателя преломления Дпк102, периодом А—7.6 мкм и длиной Ь=17.5 мм наблюдается поперечная локализация света в случае, когда последовательная оптическая модуляция профиля показателя преломления в поперечном направлении осуществляется с помощью сфокусированного лазерного пучка случайным образом: по амплитуде - в диапазоне от Дп=0 до Дп«3.5-1(Г4 и по положению - в интервале от 7 мкм до 21 мкм.

3) При распространении света с длиной волны 1=532 нм вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур (сформированных диффузией титана в кристаллической подложке ЫМЬОз) с шириной волноводного канала 5 мкм и расстоянием между каналами 4 мкм для одной и 3 мкм для другой волноводной структуры наблюдаются следующие особенности:

а) в линейном режиме распространения света - направляемые "чередующиеся" и "не чередующиеся" граничные моды, локализованные вблизи общей границы, для расстояний между волноводными структурами от ¿=2 мкм до с!=2.5 мкм;

б) в нелинейном режиме распространения света - резкое увеличение пороговой мощности света, необходимой для формирования щелевого солитона вблизи общей границы, при уменьшении расстояния между волноводными структурами от с!=2.75 мкм до <1=2 мкм.

4) В одномерной волноводной структуре (сформированной диффузией титана в кристаллической подложке иЫЬОз) с периодическим изменением расстояния между каналами при распространении оптического излучения мощностью в единицы микроватт (в одном волноводном канале) и длиной волны 1=532 нм формируются:

а) светлые щелевые солитоны при синфазном и противофазном возбуждении каналов волноводной ячейки (в волноводной структуре с шириной канала \*/=3.5 мкм, расстоянием между каналами волноводной ячейки (1|=3 мкм и расстоянием между соседними волноводными ячейками сЬ=4 мкм);

б) темный дискретный солитон при синфазном возбуждении волноводной структуры (с \У=4 мкм, (31=2.5 мкм и с!2=4.5 мкм) широким световым пучком с изменением знака поля на обратный в центре волноводной ячейки;

в) поверхностные солитоны на границе волноводной структуры и подложки при синфазном и противофазном возбуждении каналов крайней волноводной ячейки (в волноводной структуре с \У=3.5 мкм, (!]—3 мкм и с12=4 мкм).

Достоверность научных положений и других результатов

диссертационной работы основывается на применении физически обоснованных экспериментальных методик и современного оборудования, воспроизводимости экспериментальных результатов и качественном согласии полученных экспериментальных данных с результатами численного моделирования [1*-4*].

Достоверность первого защищаемого положения подтверждается подобием получаемых волноводных структур, сформированных при одинаковых условиях, о чём свидетельствует идентичность наблюдаемых на выходной плоскости образца распределений интенсивности света при оптическом зондировании модулированных волноводных структур. При этом модуляция профиля показателя преломления волноводных элементов осуществлялась с допущением, что отклонение расстояния (как в начальный момент, так и в процессе перемещения вдоль волноводной структуры) между центром фокусируемого пучка и центром волноводного канала составляло не более 5% от ширины канала.

Достоверность второго защищаемого положения подтверждается качественным совпадением полученных экспериментальных результатов с результатами исследования, независимо выполненного другой научной группой [6].

Достоверность третьего защищаемого положения подтверждается отсутствием противоречий результатам других авторов [7-9], и отклонением результатов повторных измерений (3-5 раз) пороговой мощности не более 7%.

Достоверность четвёртого защищаемого положения подтверждается отсутствием противоречий с теоретическими исследованиями, выполненными другими авторами [10-12].

Новизна защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:

— предложен метод модуляции профиля показателя преломления стационарной периодической волноводной структуры, выполненной на основе кристаллической подложки 1лЫЬСЬ:Си, с помощью перемещения сфокусированного пучка света по поверхности образца;

— показана принципиальная возможность формирования направленного оптического ответвителя путём модуляции показателя преломления (сфокусированным пучком света) двух соседних волноводных каналов периодической волноводной структуры, изготовленной в подложке 1лМЪ03:Си;

— в одномерной периодической волноводной структуре со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении, сформированной путём последовательной модификации профиля показателя преломления отдельных волноводных элементов стационарной периодической волноводной структуры, выполненной на основе кристалла 1лМЬОз:Си, экспериментально обнаружено явление поперечной локализации света при линейном распространении оптического излучения;

- экспериментально обнаружены направляемые "чередующиеся" и "не чередующиеся" граничные моды вблизи общей границы двух волноводных структур с различными параметрами;

- получены зависимости пороговой мощности света, необходимой для формирования щелевого солитона вблизи общей границы двух волноводных структур, сформированных в среде с дефокусирующим типом нелинейности, для расстояния между волноводными структурами от с!=2 мкм до (1=4.5 мкм;

- выявлены условия формирования нелинейных локализованных состояний света в форме: светлых щелевых солитонов, тёмных дискретных солитонов и поверхностных солитонов в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами.

Научная ценность защищаемых положений п других результатов

диссертационной работы заключается в том, что:

- предложенный в работе метод оптической модуляции позволяет контролируемым образом изменять профиль показателя преломления стационарной волноводной структуры, выполненной на основе кристалла ЫЫЬ03. Это даёт возможность создавать волноводные структуры с различными оптически реконфигурируемыми профилями показателя преломления сложной формы, что представляет несомненный интерес с точки зрения изучения влияния топологии волноводной структуры на характер дифракции световых пучков.

Практическая значимость защищаемых положений и других результатов диссертационной работы состоит в следующем:

- предложенный метод формирования волноводных структур со сложным профилем показателя преломления в отличие от голографического метода [13] позволяет осуществлять не только периодическое

изменение показателя преломления, а в отличие от контактного метода [14] позволяет изменять показатель преломления каждого волноводного элемента на различную величину;

- исследование закономерностей линейного и нелинейного распространения света вблизи общей границы двух периодических волноводных структур с разными параметрами позволяет прогнозировать характеристики световых полей вблизи общей границы связанных оптических систем, что даёт возможность при формировании оптических приборов и устройств как исключить влияние одной оптической системы на распространение оптических сигналов в другой, так и осуществить связь между ними заданным образом;

- установленная возможность формирования светлых и темных дискретных солитонов в волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами позволяет говорить о потенциальной применимости наблюдаемых явлений при создании компонентов оптических систем связи и устройств оптической обработки информации.

Внедрение результатов работы и рекомендации по их дальнейшему использованию.

Диссертационная работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований, проводимых кафедрой сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, а результаты работы были включены в отчеты о НИР:

- НИР № 2.1.1/429 «Эффекты нелинейного пространственного и спектрального преобразования световых полей в квазирегулярных дифракционных, волноводно-оптических и доменных структурах на основе фотополимерных материалов, электрооптических и сегнетоэлектрических кристаллов» аналитической ведомственной

целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)»;

- Грант РФФИ-ГФЕН Китая 11-02-91162-ГФЕН_а «Создание и исследование фоторефрактивных фотонных волноводов и сверхрешёток в оптических кристаллах» (2011-2012 гг.);

- НИР «Взаимодействие и самовоздействие световых пучков в фоторефрактивных кристаллах, фотополимерных нанокомпозитных материалах, волноводных периодических поляризованных структурах на ниобате лития, фотонных решётках и сверхрешётках в электрооптических и лазерных кристаллах, для обеспечения высокочувствительных адаптивных интерферометрических измерений и реализации волноводных нелинейно-оптических и лазерных компонентов» по Государственному контракту № 2.2647.2011 (2012-2014 гг.).

Результаты исследований могут быть использованы в научных организациях, занимающихся изучением свойств фотонных структур, а также в учебном процессе для изучения нелинейно-оптических эффектов в фоторефрактивных материалах и волноводных структурах, сформированных на их основе, например на кафедре сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники в курсах "Основы физической оптики" и "Оптические солитоны".

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих всероссийских и международных конференциях:

- Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects, and Devices: Control of Light and Matter 2009, Bad Honnef, Germany;

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Научная сессия ТУ СУР" 2010 г., Томск, Россия;

- Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects, and Devices: Light in Nonlinear Structured Materials 2011, Ensenada, Mexico;

- XIII Российская научная студенческая конференция по физике твердого тела 2012 г., Томск, Россия;

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов

и молодых учёных "Научная сессия ТУ СУР" 2012 г., Томск, Россия.

Результаты работы также докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники и в университете Гельмута Шмидта (Германия) на кафедре экспериментальной физики и материаловедения.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных изданиях. Из них 5 статей в рецензируемых научных журналах и 5 публикаций в сборниках научных трудов международных и всероссийских конференций.

Личный вклад автора.

Представленные в диссертации экспериментальные результаты получены автором лично. Автором проводилась разработка экспериментальных установок и методик экспериментальных исследований, обработка и интерпретация полученных результатов. Постановка задач на начальном этапе исследований осуществлялась совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., профессором В.М. Шандаровым и научным консультантом д-р, профессором D. Kip (Германия). Вклад основных соавторов заключался в подготовке экспериментальных образцов С. Rüter (Германия), в обсуждении результатов исследований С. Rüter, D.Kip, в проведении численного моделирования С. Rüter, P. Belicev, I. Ilic, М. Stepic (Сербия), J. Cuevas (Испания), P. Kevrekidis (США). Анализ и обобщение полученных результатов компьютерного моделирования проводились совместно с соавторами.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 122 наименования. Работа содержит 47 рисунков и имеет общий объем 117 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведена цель работы, сформулированы выносимые на защиту научные положения, определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассматриваются основные характеристики распространения света в фотонных структурах, на примере одномерной периодической системы связанных канальных волноводов, и перспективность их применения.

В подразделе 1.1 рассмотрены механизмы взаимодействия оптического излучения с нелинейно-оптической средой, физические основы фоторефрактивного эффекта, и влияние нелинейности образца на распространение в нём света.

В подразделе 1.2 описаны существующие методы формирования одномерных волноводных структур в кристаллах 1л]^ЬОз, рассмотрено влияние периодического изменения параметров среды на распространение оптического излучения, описаны особенности линейного и нелинейного распространения света в периодической системе связанных канальных волноводов.

В подразделе 1.3 проведён обзор теоретических и экспериментальных работ по распространению оптического излучения в волноводных структурах со сложной топологией, определён круг задач, требующих дальнейшего исследования, которые затем были решены в оригинальной части диссертации (главы со второй по четвёртую).

Вторая глава посвящена исследованию распространения света в одномерной оптически модулированной периодической волноводной структуре, сформированной диффузией титана в кристалле иМзОз.

В подразделе 2.1 приводятся параметры используемой в экспериментах стационарной волноводной структуры, и предлагается метод оптической модуляции профиля показателя преломления волноводной структуры. Изменение показателя преломления осуществлялось за счет перемещения сфокусированного светового пучка по поверхности образца с постоянной скоростью. Глубина модуляции стационарной волноводной структуры менялась контролируемым образом за счет изменения скорости перемещения и мощности фокусируемого пучка света. При исследовании распространения оптического излучения в модулированной волноводной структуре применялся метод торцевого возбуждения волноводов.

В подразделе 2.2 представлены результаты исследования распространения света в оптически модулированной волноводной структуре. Сначала исследовалась волноводная структура с одним оптически модулированным каналом (подраздел 2.2.1). Для этого сфокусированный пучок света мощностью Р=22 мВт, и длиной волны Х=532 нм перемещался вдоль волноводного канала, что приводило, за счёт фоторефрактивного эффекта, к изменению показателя преломления (таким образом, формируя в приповерхностной области кристалла оптический дефект в виде линии). На рисунке 1 представлены распределения интенсивности света на выходной поверхности образца при возбуждении оптически модулированных волноводных каналов, показатель преломления которых изменялся на различную величину (картины (б-д)). Сравнивая экспериментальные данные с результатами численного моделирования выполненного на основе метода распространяющегося пучка [15] в среде МАТЬАВ, установлено, что почти полная локализация света в возбуждаемом волноводном канале (картина (г)) достигается при изменении его показателя преломления на величину АпйЗ.5-10"4 [1*].

Рисунок 1 - Картины светового поля на выходном торце волноводных структур: без дефекта (а) и с оптическим дефектом, сформированным при скорости: У=30 мкм/с (б), У=20 мкм/с (в), У=10 мкм/с (г), У=4 мкм/с (д)

На следующем этапе модулировалось два соседних волноводных канала, и таким образом в периодической стационарной волноводной структуре формировался направленный оптический ответвитель [1*]. Затем (подраздел 2.2.2), путём последовательного формирования оптических дефектов, была сформирована одномерная волноводная структура со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении ("неупорядоченная" волноводная структура). При этом расстояние между дефектами и мощность фокусируемого пучка менялись случайным образом в диапазоне от 7 мкм до 21 мкм и от 0 мВт до 44 мВт соответственно. Усреднённое изменение показателя преломления, характеризующее степень неупорядоченности волноводной структуры, зависит от скорости формирования оптических дефектов. Таким образом, было реализовано три волноводных структуры (по 50 каналов) с различной степенью неупорядоченности (при скорости У=80 мкм/с — "малая", У=40 мкм/с -"средняя" и У=20 мкм/с - "сильная" степень неупорядоченности). На рисунке 2 представлены примеры распределения интенсивности света на выходной плоскости образца, полученные при одноканальном возбуждении (возбуждаемый канал отмечен пунктирной линией) волноводных структур: периодической (картина (а)) и неупорядоченных (картины (б-д)).

Рисунок 2 - Картины светового поля на выходном торце волноводных структур: периодической (а), со средней (б—в) и сильной (г-д) степенью неупорядоченности

Как видно из рисунка 2 в неупорядоченной волноводной структуре распределение интенсивности света не симметрично относительно возбуждаемого канала, а так как модуляция происходила случайным образом, то и распределение интенсивности света на выходной поверхности образца изменяется случайным образом при возбуждении различных волноводных каналов. Поэтому для оценки характеристик распространения света в такой структуре выполнялось усреднение распределения интенсивности света <1>. Для этого считывалось распределение интенсивности света на выходной плоскости образца при поочерёдном возбуждении 30 центральных каналов неупорядоченной волноводной структуры и затем выполнятгось усреднение. На рисунке 3 иллюстрируются зависимости усреднённой нормированной интенсивности <1> от номера волноводного канала п. Видно, что чем больше усреднённое изменение показателя преломления, тем больше степень локализации оптического излучения на выходной поверхности образца относительно возбуждаемого волноводного канала (п=0). Картина (г) соответствует режиму поперечной локализации света. В этом случае огибающая усреднённого распределения интенсивности света имеет экспоненциальный характер, что хорошо видно в полулогарифмическом масштабе (картина (е)), при аппроксимации экспериментальных, данных

линейным графиком. Из сравнения экспериментальных данных с результатами численного моделирования [1*] найдено, что режим поперечной локализации света при описанных экспериментальных условиях наступает, когда изменение показателя преломления стационарной волноводной структуры происходит случайным образом на величину от Дп=0 до Ап~3.5-10 4.

О 12 0.1 0.08 0.06 О.СИ

аде

6 г 3 5 1 1

„мШ! и 'ТОаДЛ.

\ \

8 10 -10 -8 -В -А -2 О 2 4 6 * 8 10

Рисунок 3 - Усреднённое нормированное распределение интенсивности <1> для периодической волноводной структуры (а) и неупорядоченных волноводных структур с малой (б), средней (в) и сильной (г) степенью неупорядоченности. На картинах (д) и (е), данные с (в) и (г) изображены в полулогарифмическом масштабе точками, а линией изображены аппроксимирующие прямые

Третья глава посвящена исследованию распространения света вблизи общей границы двух различных одномерных периодических волноводных структур, изготовленных диффузией титана в кристалле ЫМЬСЬ, обладающем фоторефрактивной нелинейностью дефокусирующего типа.

В подразделе 3.1 приводятся параметры исследуемых комбинированных волноводных структур (две волноводные структуры с разными параметрами, имеющие общую границу), а также оговариваются условия экспериментов.

В подразделе 3.2 представлены результаты исследования распространения света вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур с разными параметрами. Подраздел 3.2.1 посвящен изучению линейного режима распространения света. На рисунке 4 представлены примеры распределения интенсивности света на выходной плоскости образца, полученные при поканальном сканировании области вблизи общей qэaницы двух волноводных структур (всего исследовано 11 комбинированных волноводных структур с расстояниями <1=2, 2.25...4.5 мкм). Распределения интенсивности света №1 и №13 соответствуют случаю возбуждения света в однородной области волноводных структур (вдали от границы), а №6 и №7 граничных волноводных каналов (стрелка на рисунке 4 указывает на канал, в котором возбуждался свет на входной поверхности образца).

N01 №2 №3 N54 №5 №6 №7 N58 N09 №10 N«11 №12 №13

Рисунок 4 - Распространение света вблизи общей границы двух волноводных структур с периодами 9 мкм и 8 мкм, расположенных на расстоянии <1=2.75 мкм

Для разных расстояний <1, распределение интенсивности света на выходной поверхности образца, в приграничной области, может меняться существенным образом. При возбуждении граничных волноводных каналов, для <1<2.5 мкм, наблюдается преимущественная локализация света вблизи общей границы, что явно свидетельствует о существовании локализованных граничных мод. Для эффективного возбуждения граничных мод на входную поверхность образца фокусировался световой пучок эллиптического сечения шириной в несколько каналов с однородным распределением поля или в виде интерференционных полос. Экспериментально и численно [2*], найдены как граничные моды, которые изменяют свою фазу в соседних каналах на к ("чередующиеся моды"), так и моды у которых фаза в соседних каналах одинакова ("не чередующиеся моды"). На рисунке 5 представлены распределения интенсивности света входных пучков (картины (а), (д), (ё)) и возбуждаемых ими направляемых граничных мод (картины (б), (е), (ж)), где пунктирной линией изображено положение общей границы. На картинах (в) и (г) приведены распределения фазы граничной чередующейся и не чередующейся моды, распространяющихся в комбинированной волноводной структуре с расстоянием <1=2 мкм.

Рисунок 5 - Направляемые линейные моды вблизи общей границы двух волноводных структур: (а), (д), (ё) - распределения интенсивности света на входной поверхности кристалла для возбуждения чередующихся мод в комбинированных волноводных структурах с расстояниями <1=2 мкм, <1=2.25 мкм и 6=2.5 мкм; (б), (е), (ж) - соответствующие распределения интенсивности света граничных мод на выходной плоскости образца; (в), (г) -интерферограмма чередующейся и не чередующейся моды для <1=2 мкм

В подразделе 3.2.1 исследовалась зависимость пороговой мощности света Р необходимой для формирования щелевого солитона вблизи общей границы от расстояния между волноводными структурами с! и позиции возбуждаемого канала п (относительно общей границы). На рисунке б представлены соответствующие теоретические (слева) [2*] и экспериментальные результаты исследования (справа), где две вертикальные сплошные линии указывают позицию граничных каналов. Видно, что для всех расстояний ё наблюдается увеличение мощности необходимой для формирования щелевого солитона при приближении к общей границе двух волноводных структур.

аио

а.

'>0 м>

2 7

6 7 в Í0 12 14

Рисунок 6 - Численные (а-в) и экспериментальные (г-е) зависимости пороговой мощности, необходимой для формирования солитона: (а), (г) - с1 от 2 мкм до 2.75 мкм; (б), (д) - с! от 3 мкм до 3.75 мкм; (в), (е) - ё от 4 мкм до 4.5 мкм

Для расстояний <1<3 мкм наблюдается резкое увеличение пороговой мощности (в приграничной области) при уменьшении ё, что объясняется экспоненциальным увеличением коэффициента связи между граничными волноводными каналами при уменьшении расстояния с! [2*]. В экспериментах для расстояний <1<2.25 мкм не удалось сформировать щелевой солитон в граничных волноводных каналах, так как величины максимального нелинейного изменения показателя преломления образца не достаточно (в связи с насыщающимся характером фоторефрактивной нелинейности кристалла ПМЬОз), чтобы компенсировать связь между граничными волноводными каналами. В данном подразделе также рассмотрена динамика формирования солитонов в граничных волноводных каналах. Найдено, что для <1<3 мкм формирование щелевых солитонов во времени носит осциллирующий характер (сначала происходит нелинейная локализация света в соседнем граничном волноводном канале, а затем в том канале, куда он вводился).

Четвёртая глава посвящена исследованию распространения света в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами (в бипериодической волноводной структуре), сформированной диффузией титана в кристаллической подложке 1Л\:Ь03.

В подразделе 4.1 приведены параметры исследуемых бипериодических волноводных структур, описаны особенности зонной структуры экспериментальных образцов (связанные с появлением в спектре пропускания структуры запрещённой минизоны, которая влияет на характеристики линейного распространения света и количество существующих нелинейно-локализованных направляемых мод, что открывает дополнительные возможности для управления распространением оптического излучения).

В подразделе 4.2 описаны экспериментальные методики и приведены структурные схемы экспериментальных установок, которые использовались для исследования одномерных волноводных структур с периодическим изменением расстояния между каналами.

В подразделе 4.3 представлены результаты исследования распространения света в бипериодической волноводной структуре. При исследовании линейного распространения света (подраздел 4.3.1), вводимая мощность оптического излучения составляла несколько десятков нановатт. Для случая возбуждения одной волноводной ячейки (двух ближайших волноводных каналов), свет вводился в каналы волноводной ячейки в фазе или противофазе, что приводило к возбуждению направляемых мод бипериодической волноводной структуры выше или ниже запрещённой минизоны [3*], и соответственно различному распределению интенсивности света на выходной поверхности образца. На рисунке 7 представлены результаты линейного распространения света в исследуемой волноводной структуре, при синфазном (слева) и противофазном (справа) возбуждении каналов волноводной ячейки.

Рисунок 7 - Линейное распространение света в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами: (а), (г) -экспериментальные распределения интенсивности света на выходной плоскости образца; (б), (д) - нормированные графики распределения интенсивности света на выходной поверхности кристалла (сплошная линия -эксперимент, пунктирная линия - моделирование); (в), (е) - численное моделирование распространения оптического излучения в волноводной структуре, где п - номер волноводной ячейки

В случае возбуждения двух волноводных ячеек бипериодической волноводной структуры, путём плавного изменения разности фаз между двумя парами оптических пучков, вводимых в соседние волноводные ячейки, был реализован режим бездифракционного распространения света. Данный эффект наблюдался как при синфазном, так и при противофазном возбуждении каналов волноводной ячейки.

Подраздел 4.3.2 посвящён нелинейному распространению света в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами. В подразделе 4.3.2.1 исследуется формирование светлых щелевых солитонов. В зависимости от возбуждения каналов волноводной ячейки, светлый щелевой солитон формируется в запрещённой минизоне (возбуждение каналов в фазе) или в первой запрещённой зоне (возбуждение каналов в противофазе) спектра пропускания структуры [3*]. Рисунок 8 иллюстрирует результаты по формированию светлых щелевых солитонов в запрещённой минизоне (картины (а-в)) и в первой запрещённой зоне (картины (г-е)) бипериодической волноводной структуры.

Рисунок 8 - Распределения интенсивности света на выходной поверхности кристалла в бипериодической волноводной структуре: (а), (г) - линейное распространение света; (б), (д) - светлые щелевые солитоны; (в), (е) - фазовые

распределения солитонов

Линейное распространение оптического излучения приводит к дискретной дифракции света (картины (а) и (г) рисунка 8). При увеличении входной мощности света, до 10 мкВт для синфазного возбуждения каналов, и 12 мкВт

для противофазного возбуждения каналов, после 10 минут на выходной поверхности образца наблюдалась преимущественная локализация света (порядка 90 процентов вводимой оптической мощности) в двух возбуждаемых волноводных каналах (картины (б) и (д)), и считалось, что формируется солитон. Из картин (в) и (е) видно, что солитон, формируемый в запрещённой минизоне, имеет синфазное распределение светового поля внутри волноводной ячейки, а свет в соседних ячейках распространяется в противофазе, тогда как для солитона, расположенного в первой запрещённой зоне, свет во всех соседних каналах распространяется в противофазе.

В подразделе 4.3.2.2 исследуется формирование поверхностных солитонов. Для этого свет вводился в волноводную ячейку, граничащую с однородной средой. Как и в случае со светлыми щелевыми солитонами (подраздел 4.3.2.1), два крайних волноводных канала возбуждались в фазе или в противофазе. На рисунке 9 представлены картины светового поля, наблюдаемые при формировании поверхностных солитонов в запрещённой минизоне (а-в) и в первой запрещённой зоне (г-е). На картинах (а) и (г) показаны распределения интенсивности света на выходной плоскости образца, полученные в линейном режиме. В этом случае наблюдается отражение оптического излучения от границы бипериодической волноводной структуры с однородной средой, условно обозначенной на рисунке пунктирной линией.

а б в

г т т- 'Ш ** ш

д «ш *

е 1_

Рисунок 9 — Распределения интенсивности света на выходной поверхности кристалла в бипериодической волноводной структуре: (а), (г) - линейное распространение света; (б), (д) - нелинейное распространение света; (в), (е) -поверхностные солитоны

В нелинейном режиме распространения света, при вводимой мощности оптического излучения Р~15 мкВт, после 10 минут происходит формирование поверхностных солитонов (картины (в) и (е)). Формирование поверхностных солитонов носит пороговый характер, и требует определённой входной оптической мощности. При мощностях света меньше пороговой, возможна ситуация, когда нелинейная локализация оптического излучения происходит в соседней волноводной ячейке (картины (б) и (д)).

В подразделе 4.3.2.3 исследуется взаимодействие светлых щелевых солитонов. В случае некогерентного взаимодействия двух солитонов, экспериментально наблюдалось их стабильное распространение в волноводных ячейках, а в случае когерентного взаимодействия, теоретически предсказаны различные варианты нелинейного распространения света: взаимное притяжение двух солитонов, отталкивание или их объединение в один солитон [5*].

В подразделе 4.3.2.4 исследуется формирование тёмных дискретных солитонов. Для формирования тёмного солитона в бипериодической волноводной структуре, использовался широкий световой пучок, фаза половины которого изменялась в центре волноводной ячейки на л. Данное распределение света на входной плоскости кристалла соответствовало условию формирования тёмного солитона в запрещённой полубесконечной зоне [4*]. На рисунке 10 отображены стадии формирования тёмного солитона. При изменении фазы половины вводимого светового пучка (картина (а)) на к, в распределении его интенсивности света появляется тёмный провал (картины (в-г)), что приводит в линейном режиме распространения света к дифракции тёмного провала (картина (д)), а в нелинейном режиме (когда на один волноводный канал приходился оптическая мощность Р~2 мкВт) к формированию тёмного дискретного солитона (картины (е-ё)).

В подразделе 4.3.2.4 было также показано, что при формировании тёмного солитона в волноводной структуре наводится положительный дефект, который может поддерживать локализованное распространение света.

«р.» - - тт, »» » — - -

Рисунок 10 - Формирование тёмного солитона в бипериодической волноводной структуре: (а), (б) - распределения интенсивности света вводимого широкого

однородного пучка и на выходной плоскости кристалла соответственно; (в), (г) - распределение интенсивности и фазы пучка света, необходимого для формирования тёмного солитона; (д) - линейное распространение света; (е), (ё) - распределение интенсивности света и фазы тёмного солитона

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Предложен метод и отработана методика оптической модуляции профиля показателя преломления стационарных волноводных структур (изготовленных диффузией титана в кристалле 1ЛЧЬ03) с помощью сфокусированного пучка света, перемещающегося по поверхности образца с постоянной скоростью. Показана возможность применения данного метода для контролируемого изменения показателя преломления как одного, так и группы волноводных элементов, а так же для формирования на основе стационарной волноводной структуры оптических элементов и волноводных структур с заданным реконфигурируемым профилем показателя преломления.

2. Экспериментально доказана возможность поперечной локализации света в одномерной периодической волноводной структуре со случайной модуляцией

показателя преломления в поперечном направлении, при линейном режиме распространения оптического излучения.

3. Отработана методика возбуждения линейных направляемых мод, локализованных вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур с разными параметрами, и экспериментально обнаружено существование чередующихся и не чередующихся граничных мод в исследуемых комбинированных волноводных структурах.

4. Изучены особенности формирования щелевых солитонов вблизи общей границы двух различных одномерных периодических волноводных структур, сформированных в среде с дефокусирующим типом нелинейности, и получены зависимости пороговой мощности света, необходимой для формирования щелевого солитона вблизи общей границы, от позиции возбуждаемого волноводного канала и расстояния между волноводными структурами.

5. В одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами в линейном режиме распространения света -исследованы особенности дискретной дифракции света, а в нелинейном режиме - выявлены условия формирования и экспериментально реализованы нелинейно-локализованные состояния света в форме: светлых щелевых солитонов, тёмных дискретных солитонов и поверхностных солитонов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Joannopoulos, J.D. Photonic crystals: molding the flow of light (second edition) / J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, R.D. Meade. - Princeton University Press, 2008. - 286 P.

2. Kip, D. Photorefractive waveguides in oxide crystals: fabrication, properties and applications / D. Kip // Appl. Phys. B. - 1998. - Vol. 67. - P. 131-150.

3. Lederer, F. Discrete solitons in optics / F. Lederer, G.I. Stegeman, D.N. Christodoulides, G. Assanto, M. Segev, Y. Silberberg // Phys. Rep. - 2008. -Vol. 463.-P. 1-126.

4. Garanovich, I.L. Light propagation and localization in modulated photonic lattices and waveguides / I.L. Garanovich, S. Longhi, A.A. Sukhorukov, Y.S. Kivshar // Phys. Rep. - 2012. - Vol. 518, № 1-2. - P. 1-79.

5. Longhi, S. Quantum-optical analogies using photonic structures / S. Longhi // Laser Phot. Rev. - 2009. - Vol. 3, № 3. - P. 243-261.

6. Lahini, Y. Anderson localization and nonlinearity in one dimensional disordered photonic lattices / Y. Lahini, A. Avidan, F. Pozzi, M. Sorel, R. Morandotti, D. Christodoulides and Y. Silberberg // Phys. Rev. Lett. - 2008. -Vol. 100.-P. 013906-013909.

7. Suntsov, S. Optical spatial solitons at the interface between two dissimilar periodic media: theory and experiment / S. Suntsov, K.G. Makris,

D.N. Christodoulides, G.I. Stegeman, R. Morandotti, M. Volatier, V. Aimez, R. Ares,

E.H. Yang and G. Salamo // Opt. Express. - 2008. - Vol. 16, № 14. - P. 1048010492.

8. Molina, M.I. Nonlinear localized modes at phase-slip defects in waveguide arrays / M.l. Molina and Y.S. Kivshar // Opt. Lett. - 2008. - Vol. 33. - P. 917-919.

9. Belicev, P.P. Observation of linear and nonlinear strongly localized modes at phase-slip defects in one-dimensional photonic lattices / P.P. Belicev, I. Ilic, M. Stepic, A. Maluckov, Y. Tan and F. Chen // Opt. Lett. - 2010. - Vol. 35, № 18. -P. 3099-3101.

10. Louis, P.J.Y. Matter-wave dark solitons in optical lattices / P.J.Y. Louis, E.A. Ostrovskaya and Y.S. Kivshar // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. - 2004. -Vol. 6.-P. 309-317.

11. Louis, P.J.Y. Dispersion control for matter waves and gap solitons in optical superlattices / P.J.Y. Louis, E.A. Ostrovskaya and Y.S. Kivshar // Phys. Rev. A. -2005. - Vol. 71. - P. 0236121-0236128.

12. Vicencio, R.A. Discrete gap solitons in waveguide arrays with alternating spacings / R.A. Vicencio and M. Johansson // Phys. Rev. A. - 2009. - Vol. 79. -P. 0658011-0658014.

13. Fleischer, J.W. Observation of discrete solitons in optically induced real time waveguide arrays / J.W. Fleischer, T. Carmon, M. Segev, N.K. Efremidis and D.N. Christodoulides // Phys. Rev. Lett. - 2003. - Vol. 90. - P. 0239021-0239024.

14. Zhang, P. Photo-written waveguides in iron-doped lithium niobate crystal employing binary optical masks / P. Zhang, D. Yang, J. Zhao, M. Wang // Opt. Engineer. - 2006. - Vol. 45, № 7. - P. 074603-074609.

15. Hadley, G.R. Wide-angle beam propagation using Pade approximant operators // Opt. Lett. - 1992. - Vol. 17, № 20. - P. 1426-1428.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

Статьи, опубликованные в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертации:

1*. Kanshu, A. Optically-induced defect states in photonic lattices: formation of defect channels, directional couplers, and disordered lattices leading to Anderson-like light localization / A. Kanshu, C.E. Riiter, D. Kip and V.M. Shandarov // Applied Physics B. - 2009. - Vol. 95, № 3. - P. 537-543. - 0,63 / 0,16 пл.

2*. Kanshu, A. Linear and nonlinear light propagation at the interface of two homogeneous waveguide arrays / A. Kanshu, C.E. Riiter, D. Kip, P.P. Belicev, I. Ilic, M. Stepic and V.M. Shandarov // Optics Express. - 2011. - Vol. 19, № 2. -P. 1158-1167.-0,75/0,11 пл.

3*. Kanshu, A. Observation of discrete gap solitons in one-dimensional waveguide arrays with alternating spacings and saturable defocusing nonlinearity / A. Kanshu, C.E. Riiter, D. Kip, V.M. Shandarov, P.P. Belicev, 1. Ilic and M. Stepic // Optics Letters. - 2012. - Vol. 37, № 7. - P. 1253-1255. - 0,32 / 0,05 пл.

4*. Kanshu, A. Dark lattice solitons in one-dimensional waveguide arrays with defocusing saturable nonlinearities and alternating couplings / A. Kanshu, C.E. Riiter, D. Kip, J. Cuevas and P.G. Kevrekidis // European Physical Journal D. -2012. - Vol. 66, № 7. - P. 182-193.-0,89 / 0,18 пл.

5*. Belicev, P.P. Dynamics of gap solitons in one-dimensional binary lattice with saturable self-defocusing nonlinearity and alternating spacing / P.P. Belicev, I. Ilic, A. Maluckov, M. Stepic, A. Kanshu, C.E. Ruter and D. Kip // Physical Review A. - 2012. - Vol. 86, № 3. - P. 0338351-0338358. - 0,97 /0,14 п.л.

Публикации в других научных юданнях:

6*. Kanshu, A. Optical induction of defects in ID photonic lattices for study of Anderson-like light localization / A. Kanshu, C.E. Ruter, D. Kip // Proceedings of Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects, and Devices: Control of Light and Matter, Bad Honnef, Germany, 2009. - P2-10. - 0,13 / 0,05 п.л.

7*. Каншу, A.B. Распространение света в одномерной периодической волноводной структуре со случайным изменением показателя преломления / А.В. Каншу, В.М. Шандаров, К. Хаунхорст, Д. Kim // Научная сессия ТУСУР-2010: Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: В-Спектр, 2010: В 5 частях. -Ч. 1. - С. 302-305. - 0,12/0,03 п.л.

8*. Kanshu, A. Gap solitons in one-dimensional photonic lattices with defocusing nonlinearity and alternating couplings / A. Kanshu, C.E. Ruter, D. Kip, P.P. Belicev, I. Ilic and M. Stepic // Proceedings of Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects, and Devices: Light in Nonlinear Structured Materials, Ensenada, Mexico, 2011. - T3-3. - 0,14 / 0,02 п.л.

9*. Каншу, A.B. Линейное и нелинейное распространение света в бипериодической решётке / А.В. Каншу, В.М. Шандаров, К. Хаунхорст, Д. Кип // Физика твёрдого тела: Сборник материалов XIII Российской научной студенческой конференции. - Томск: ТГУ, 2012. -С. 164-167.-0,15 / 0,04 п.л.

10*. Каншу, А.В. Распространение света на границе двух одномерных волноводных структур / А.В. Каншу, В.М. Шандаров, К. Хаунхорст, Д. Кип // Научная сессия ТУСУР-2012: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: В-Спектр, 2012: В 5 частях. -Ч. 2. - С. 29-32. - 0,13 / 0,03 п.л.

Тираж 100 экз. Заказ 1111. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Каншу, Андрей Владимирович, Томск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физ.-мат. наук, профессор В.М. Шандаров

Научный консультант: доктор, профессор Детлеф Кип

Томск - 2013

На правах рукописи

04201456126

Каншу Андрей Владимирович

01.04.05-Оптика

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

1. ОДНОМЕРНЫЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДНЫЕ СТРУКТУРЫ В НЕЛР1НЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ СРЕДАХ.............................................15

1.1. Распространение света в нелинейно-оптических средах......................18

1.2. Одномерные периодические волноводные структуры........................24

1.2.1. Формирование оптических волноводных структур в кристаллах ниобата лития......................................................................25

1.2.2. Распространение света в периодической системе связанных канальных волноводов.........................................................................27

1.2.2.1. Линейный режим распространения света...............................27

1.2.2.2. Нелинейный режим распространения света............................33

1.3. Одномерные волноводные структуры со сложной топологией..............38

1.4. Выводы по первой главе.............................................................39

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ОДНОМЕРНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ВОЛНОВОДНОЙ СТРУКТУРЕ СО СЛУЧАЙНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ В ПОПЕРЕЧНОМ НАПРАВЛЕНИИ......40

2.1. Исследуемая структура и схема эксперимента..................................42

2.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение..............................45

2.2.1. Распространение света в одном и двух оптически модулированных каналах одномерной периодической волноводной структуры..........45

2.2.2. Распространение света в одномерной неупорядоченной волноводной структуре...........................................................................50

2.3. Выводы по второй главе.............................................................55

3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ВБЛИЗИ ОБЩЕЙ ГРАНИЦЫ ДВУХ ОДНОМЕРНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР........57

3.1. Исследуемая структура и схема эксперимента..................................59

3.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение..............................61

3.2.1. Линейный режим распространения света....................................61

3.2.2. Нелинейный режим распространения света.................................68

3.4. Выводы по третьей главе............................................................73

4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ОДНОМЕРНОЙ ВОЛНОВОДНОЙ СТРУКТУРЕ С ПЕРИОДИЧЕСКИМ ИЗМЕНЕНИЕМ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ КАНАЛАМИ....................................................................75

4.1. Исследуемая структура и её свойства.............................................77

4.2. Методика и схема эксперимента...................................................80

4.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение..............................83

4.3.1. Линейный режим распространения света....................................83

4.3.2. Нелинейный режим распространения света.................................87

4.3.2.1. Светлые щелевые солитоны................................................88

4.3.2.2. Поверхностные солитоны...................................................92

4.3.2.3. Взаимодействие светлых щелевых солитонов.........................94

4.3.2.4. Тёмные дискретные солитоны.............................................99

4.4. Выводы по четвертой главе........................................................103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................105

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Фотонный кристалл представляет собой материал, в котором пространственная модуляция показателя преломления осуществлена с периодом, сравнимым с длиной волны распространяющегося в нём оптического излучения. Одним из примеров реализации подобной структуры является периодическая система связанных оптических канальных волноводов. Методика изготовления таких волноводных структур хорошо отработана в фоторефрактивных кристаллах ниобата лития (1лГ<[ЬОз) [2]. Данный материал проявляет нелинейно-оптические свойства при мощностях света в единицы микроватт, и обладает сильно выраженным фотовольтаическим эффектом, что позволяет получить оптически индуцированное изменение показателя преломления без приложения внешнего электрического поля. Это даёт возможность исследовать характеристики линейного и нелинейного распространения света в волноводных структурах, сформированных в подложке 1лМЮз. При этом особый интерес представляют волноводные структуры со сложной топологией, так как такие оптические структуры проявляют новые уникальные явления при распространении в них света и предлагают новые возможности в управлении оптическим излучением [3, 4]. Помимо применения волноводных структур для пространственного преобразования световых полей в приборах и устройствах, они также могут использоваться для исследования оптических аналогов эффектов наблюдаемых

2) вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур с разными параметрами;

3) в одномерной волноводной структуре с периодическим изменением расстояния между каналами.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

— исследование влияния глубины оптической модуляции показателя преломления стационарной волноводной структуры на распространение в ней света;

Методы исследований.

Для решения поставленных задач в работе использовались следующие экспериментальные методы:

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Реконфигурируемая модификация профиля показателя преломления в поперечном направлении стационарной волноводной структуры, сформированной диффузией титана в фоторефрактивном кристалле 1л№>Оз, реализуема контролируемым образом, путём последовательного изменения профиля показателя преломления отдельных волноводных элементов (на величину не более Ап=10"3) за счёт перемещения с постоянной скоростью вдоль волноводных каналов сфокусированного на поверхности образца пучка света.

2) При линейном режиме распространения света с длиной волны А=532 нм в одномерной периодической волноводной структуре (сформированной диффузией титана в кристаллической подложке 1лМЬОз:Си) с амплитудой изменения показателя преломления Ап~10"2, периодом А=7.6 мкм и длиной Ь=17.5 мм наблюдается поперечная локализация света в случае, когда последовательная оптическая модуляция профиля показателя преломления в поперечном направлении осуществляется с помощью сфокусированного лазерного пучка случайным образом: по амплитуде - в диапазоне от Дп=0 до Дп~3.5-1(Г4 и по положению - в интервале от 7 мкм до 21 мкм.

3) При распространении света с длиной волны А=532 нм вблизи общей границы двух одномерных периодических волноводных структур (сформированных диффузией титана в кристаллической подложке 1л№Юз) с шириной волноводного канала 5 мкм и расстоянием между каналами 4 мкм для одной и 3 мкм для другой волноводной структуры наблюдаются следующие особенности:

4) В одномерной волноводной структуре (сформированной диффузией титана в кристаллической подложке 1ЖЬОз) с периодическим изменением расстояния между каналами при распространении оптического излучения мощностью в единицы микроватт (в одном волноводном канале) и длиной волны Х=532 нм формируются:

а) светлые щелевые солитоны при синфазном и противофазном возбуждении каналов волноводной ячейки (в волноводной структуре с шириной канала \¥=3.5 мкм, расстоянием между каналами волноводной ячейки (11=3 мкм и расстоянием между соседними волноводными ячейками ¿2=4 мкм);

б) темный дискретный солитон при синфазном возбуждении волноводной структуры (с \У=4 мкм, ¿1=2.5 мкм и с12=4.5 мкм) широким световым пучком с изменением знака поля на обратный в центре волноводной ячейки;

Достоверность научных положений и других результатов

Достоверность третьего защищаемого положения подтверждается отсутствием противоречий результатам других авторов [11-13], и отклонением результатов повторных измерений (3-5 раз) пороговой мощности не более 7%.

Достоверность четвёртого защищаемого положения подтверждается отсутствием противоречий с теоретическими исследованиями, выполненными другими авторами [14-16].

Новизна защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:

- предложен метод модуляции профиля показателя преломления стационарной периодической волноводной структуры, выполненной на основе кристаллической подложки 1л]ЧЬОз:Си, с помощью перемещения сфокусированного пучка света по поверхности образца;

- показана принципиальная возможность формирования направленного оптического ответвителя путём модуляции показателя преломления (сфокусированным пучком света) двух соседних волноводных каналов периодической волноводной структуры, изготовленной в подложке 1л№>03:Си;

- в одномерной периодической волноводной структуре со случайной модуляцией показателя преломления в поперечном направлении, сформированной путём последовательной модификации профиля показателя преломления отдельных волноводных элементов стационарной периодической волноводной структуры, выполненной на основе кристалла 1л1МЬОз:Си, экспериментально обнаружено явление поперечной локализации света при линейном распространении оптического излучения;

Научная ценность защищаемых положений и других результатов

диссертационной работы заключается в том, что:

- предложенный в работе метод оптической модуляции позволяет контролируемым образом изменять профиль показателя преломления стационарной волноводной структуры, выполненной на основе кристалла 1лНЪ03. Это даёт возможность создавать волноводные структуры с различными оптически реконфигурируемыми профилями показателя преломления сложной формы, что представляет несомненный интерес с точки зрения изучения влияния топологии волноводной структуры на характер дифракции световых пучков.

- предложенный метод формирования волноводных структур со сложным профилем показателя преломления в отличие от голографического метода [17] позволяет осуществлять не только периодическое

изменение показателя преломления, а в отличие от контактного метода [18] позволяет изменять показатель преломления каждого волноводного элемента на различную величину;

Внедрение результатов работы и рекомендации по их дальнейшему использованию.

- НИР № 2.1.1/429 «Эффекты нелинейного пространственного и спектрального преобразования световых поле