Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
ЦАРЕВ Андрей Владимирович
Эффекты акустооптического взаимодействия и интерференции в сложных оптических волноводных структурах специальность:
01.04.07 - Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Новосибирск - 2007
Работа выполнена в Институте физики полупроводников СО РАН
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, Профессор Шапиро Д.А.
доктор физико-математических наук, Гайслер В.А доктор физико-математических наук, Профессор Шандаров С.М.
Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН, г. Москва
Защита состоится л30 октября 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.003.037.01 в Институте физики полупроводников СО РАН по адресу:
630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН
Автореферат разослан л__ ________ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, Доктор физико-математических наук, Профессор А.В.Двуреченский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация обобщает результаты фундаментальных исследований эффектов акустооптического взаимодействия, интерференции и волнового распространения света в сложных оптических волноводных структурах.
Актуальность темы.
Исследования взаимодействия света с акустическими колебаниями решетки кристаллов, начало которым было положено в работах Бриллюэна, Мандельштамма, Дебая, Рытова [Д1] и др., развилось в научное направление, которое носит название акустооптика [Д2]. Первоначально исследовалось акустооптическое (АО) взаимодействие скалярных волн в диэлектрических кристаллах [Д3]. Интересные особенности были выявлены при переходе от взаимодействия плоских волн к реальным акустическим пучкам [Д3]. Ряд новых аспектов был исследован при изучении АО взаимодействия в проводящих кристаллах [Д2]. Учет поляризационных характеристик взаимодействия привел к описанию качественно нового явления - анизотропной дифракции [Д4].
В шестидесятые годы зародилась и получала интенсивное развитие новая область знания - интегральная оптика. В ней рассматриваются разнообразные явления, связанные с волноводным распространением и управлением оптических волн с помощью тонких диэлектрических пленок и полосок [Д5]. Связь интегральной оптики и акустооптики в семидесятые годы породила очень перспективное направление - волноводную акустооптику [Д6, Д7], в которой исследуется взаимодействие мод оптического волновода с поверхностной акустической волной (ПАВ).
Огромным стимулом к развитию данных направлений стало бурное развитие волоконной оптики и перспективных информационных технологий на основе частотного (спектрального) уплотнения (WDM) [Д8].
Исследования в области волноводной акустооптики очень интересны в теоретическом плане, т.к. здесь происходит взаимодействие неоднородных волн, распространяющихся в анизотропных и слоистых структурах в тонком приповерхностном слое. Здесь существенно проще добиться высокой плотности энергии как оптических, так и акустических волн, и, следовательно, большей эффективности линейного и нелинейного взаимодействия. Кроме того, при описании АО взаимодействия находят отражение поляризационные свойства всех взаимодействующих волн и их сложная внутренняя структура, обусловленная строгим ограничением в пространстве.
Процессы акустооптического взаимодействия рассматривались, как правило, для простых волноводных структур, где наблюдалась дифракция одиночного светового пучка на акустической волне. Одновременно, велись интенсивные исследования более сложных структур, например, на основе массива волноводных решеток (AWG), в которых за счет эффектов интерференции удается в компактных интегрально-оптических элементах реализовать функцию фильтрации и мультиплексирования различных оптических длин волн.
В практическом плане данные исследования привели к разработке перестраиваемых оптических фильтров и мультиплексоров ввода/вывода (ROADM) [Д8], которые позволяют селективно извлекать и добавлять в оптоволокно оптические сигналы на произвольно заданной длине волны (без промежуточного преобразования из оптического в электрический сигнал и обратно). Что создало основу для кардинального повышения пропускной способности и гибкости волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Разнообразие применяемых технологий фильтрации [Д8] (на основе акустооптических фильтров (АОФ), брэгговских решеток, кольцевых резонаторов, AWG, и т.д.) показывает, что до настоящего времени не найдено УидеальнойФ конструкции для перестраиваемых фильтров и ROADM. С целью расширения числа перестраиваемых спектральных каналов иногда применяется принцип нониуса [Д9], который основан на использовании двух фильтрующих элементов с малыми, но разными свободными спектральными зонами (FSR1 и FSR2). За счет малой и независимой перестройки длины волны каждого из этих фильтров можно обеспечить перестройку длины волны комбинированного устройства в широком диапазоне, значительно превышающем FSR1 и FSR2. Однако при этом в полосе перестройки возникают паразитные резонансы на частотах кратных FSR1 и FSR2. В целом, с увеличением числа перестраиваемых каналов технические трудности создания перестраиваемых оптических элементов возрастают настолько, что многие важные параметры устройств становятся либо недостижимыми, либо их технологическая сложность становится неприемлемо высокой для широкого распространения.
Важно отметить, что наибольший прогресс, как правило, достигался за счет использования сложных волноводных структур и умелого использования интерференционных эффектов (в AWG, кольцевых резонаторах, и т.д.).
Таким образом, исследование эффектов акустооптического взаимодействия и интерференции в сложных оптических волноводных структурах является актуальной физической задачей. Ее успешное решение приведет к расширению нашего представления о проявлениях этих эффектов, а также к разработке физических основ для перспективных типов перестраиваемых фильтров и оптических мультиплексоров ввода/вывода для работы со многими сотнями спектральных каналов, что является одной из важнейших задач, стоящих перед наукой и технологией сегодняшнего дня.
Вышеизложенное показывает важность и актуальность постановки темы настоящей диссертационной работы, выполненной в период 1977-2007 годы [1-66].
Основная цель диссертационной работы состояла в комплексном изучении (и обобщении) новых проявлений интерференционных эффектов при акустооптическом взаимодействии и при распространении света в планарных и полосковых волноводах. А также в том, чтобы на базе полученных результатов предложить и всестороннее исследовать сложные волноводные структуры, обладающие явными преимуществами перед известными интегральнооптическими аналогами.
Для достижения сформулированной цели в работе решались следующие основные задачи:
- Определение основных закономерностей распространения направляемых оптических волн и их взаимодействия с поверхностной акустической волной в оптических волноводах.
- Исследование эффектов интерференции в сложных многолучевых оптических элементах, в том числе, - при дифракции двух пучков света на ПАВ;
- при распространении оптических волн через мультиотражательный расширитель оптического пучка, представляющий собой полосковый оптический волновод, пересекаемый большим числом наклонных слабых отражателей, периодически расположенных вдоль оси полоскового волновода;
- при дифракции на ПАВ множества (многих сотен) оптических пучков, сформированных в планарном оптическом волноводе мультиотражательным расширителем оптического пучка;
- при распространении оптических волн через сложную систему полосковых волноводов с мультотражательными расширителями пучка и фазосдвигающими термооптическими и акустооптическими элементами;
- Исследование физических принципов управления свойствами направляемых мод оптического волновода, в том числе, - поляризацией мод на основе эффектов анизотропии и интерференции;
- затуханием мод разного номера;
- пространственным распределением оптического поля мод.
Объекты и методы исследования. В данной работе в качестве объектов исследования выступали полупроводниковые оптические волноводы на основе гетероэпитаксиальных структур GaAs/AlAs, гребенчатые и полосковые волноводы в структурах кремний-на-изоляторе (КНИ), планарные и полосковые анизотропные волноводы на основе диффузии Ti в ниобат лития (Ti:LiNbO3), слоистые диэлектрические структуры на основе пленок халькогенидного стекла (As2S3) на ниобате лития. Данные структуры исследовались как экспериментально с привлечением оригинальных экспериментальных методик и метода оптического зондирования для анализа ПАВ, так и путем компьютерного моделирования на основе оригинальных моделей с привлечением метода связанных мод и спектрального приближения, и с использованием апробированных численных методов: конечных разностей во временной области (finite difference time domain (FDTD) method) и метода распространяющихся пучков (beam propagation method (BPM)) с помощью коммерческих пакетов FullWAVE и BeamProp от компании RSoft Design Group Inc. [Д10].
Научная новизна работы состоит в результатах эксперимента (1, 2), объектах исследования (2, 3) и теоретических результатах (2,3), включающих разработку оригинальных математических моделей для анализа интерференционных явлений в сложных волноводных структурах, а также в разработке физических принципов работы устройств (3), мировой приоритет которых подтвержден тремя американскими и двумя российскими патентами [33-37]. Все основные экспериментальные и расчетные результаты диссертационной работы получены впервые. Научная новизна конкретных результатов состоит в следующем:
1. Экспериментально подтверждено [19], что в анизотропных волноводах удается два порядка поднять эффективность ввода/вывода оптического излучения из планарного оптического волновода при дифракции на ПАВ. Физически это соответствует случаю дифракции волноводной моды квази-ТМ поляризации в спектр излучательных мод квази-ТЕ поляризации, которые за счет эффекта интерференции формируют поле вытекающей волны анизотропного волновода.
2. На основе экспериментальных и теоретических исследований эффектов интерференции при дифракции двух пучков света на ПАВ показана высокая чувствительность интерференционной картины к изменению частоты и скорости ПАВ [22, 23].
3. В результатах теоретических исследований и численного моделирования (методами FDTD и BPM,а также на основе метода связанных мод и спектрального приближения) сложных волноводных структур, в частности:
3.1 Волноводного мультиотражательного расширителя оптического пучка [34]. Показано, он обладает высокими дисперсионными свойствами и позволяет расширить апертуру входного оптического пучка на три порядка на размере оптического элемента 101мкм2 [28];
3.2 Акустооптических перестраиваемых фильтров [26, 28-30, 33, 51-54, 62] на основе планарных волноводов в структурах As2S3/LiNbO3 с использованием мультиотражательных расширителей пучка. Показано, что за счет высоких дисперсионных свойств мультиотражательных расширителей данные оптические элементы одновременно имеют малые размеры и, обладают чрезвычайно высоким спектральным разрешением с шириной линии в 20 раз более узкой, чем у лучших акустооптических фильтров таких же размеров;
3.3 Перестраиваемых фильтров и мультиплексоров ввода/вывода [27, 30, 55, 56, 58, 60, 61] на основе канальных волноводов с термооптических управлением и с использованием мультиотражательных расширителей пучка. Показано, что предлагаемые устройства обладают способностью перестраивать до 400 различных длин волн в пределах стандартного спектрального C-диапазона (1525-1565 нм) оптического волокна, а также иметь рекордную крутизну (до 0.6 нм/C) перестройки по температуре фильтруемых оптических длин волн без использования принципа нониуса [Д9];
3.4 Компактных элементов для контроля поляризации и обеспечения поляризационной независимости предлагаемых оптических элементов. Показано, что волноводный поляризатор (размером 1224 мкм2) [57] на основе наклонных отражательных структур в виде глубоких канавок, располагаемых под углом Брюстера, способен обеспечить селекцию по поляризации на уровне около -30 дБ. Показано, что предлагаемый элемент для вращения поляризации [59] на основе наклонных канальных анизотропных волноводов Ti:LiNbO3 обеспечивает полное преобразование поляризации из квази-ТЕ в квази-ТМ и обратно на длине 8 мм;
3.5 Гетерогенных волноводов в тонких (наноразмерных) структурах кремний-на-изоляторе [60, 61], основанных на создании по краям широкого многомодового полоскового волновода (сечение кремниевой сердцевины 0.216 мкм2) дополнительных сильно легированных p+- областей. Показано, что данное легирование обеспечивает одномодовое поведение широкого гетерогенного волновода благодаря перераспределению оптических полей волноводных мод, снижению оптических потерь для фундаментальной моды и увеличению потерь для мод более высокого номера.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Осуществлен на два порядка более эффективный ввод/вывод оптического излучения из планарного оптического волновода при дифракции на ПАВ [19] за счет акустооптического взаимодействия с модами излучения, формирующих вытекающую волну анизотропного волновода.
2. Разработана концепция многолучевых оптических элементов [26-30]. Выполнено детальное теоретическое исследование и разработаны фундаментальные основы перспективных мультиотражательных устройств, защищенных двумя российскими [33, 34] патентами, в том числе, 2.1 Компактного расширителя оптического пучка на основе полоскового оптического волновода, пересекаемого набором частично отражающих наклонных отражателей [34].
Он имеет высокие дисперсионные свойства и аномально большой коэффициент расширения (до 1000 раз) на предельно малых размерах (10104 мкм2).
2.2 Мультиотражательных акустооптических перестраиваемых фильтров [33] на основе планарных волноводов в структурах As2S3/LiNbO3, которые имеют ширину линии в 20 раз более узкую, чем у лучших акустооптических фильтров таких же размеров [26, 28-30, 33, 51-54, 62]. Это обеспечивает значительное число перестраиваемых спектральных каналов (200 и более), недоступное для АО фильтров выполненных на основе традиционных геометрий акустооптического взаимодействия (имеющих не более 8-50 частотных каналов);
2.3 Мультиотражательных термооптических перестраиваемых фильтров и мультиплексоров [27, 30, 55, 56, 58, 60, 61], которые способны перестраивать до 200-400 различных длин волн в пределах C-диапазона, а также иметь рекордную крутизну (до 0.6 нм/C) перестройки по температуре фильтруемых оптических длин волн. Кроме того, они оказываются свободны от паразитных резонансов, наблюдаемых в устройствах, использующих принцип нониуса [Д9].
3. Выполнено теоретическое исследование и численное моделирование волноводных оптических элементов для управления поляризацией света (делителя поляризации [57] и вращателя поляризации [59]).
4. Разработана концепция тонких гетерогенных волноводных структур [60, 61] с использованием дополнительных сильно легированных p+- областей. Такое легирование обеспечивает одномодовое поведение широкого гетерогенного волновода благодаря снижению оптических потерь для фундаментальной моды и увеличению потерь для мод более высокого номера.
5. Разработан двухзондовый метод измерения скорости ПАВ [22, 23].
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Пространственное распределение интенсивности дифрагированного поля при отражении и интерференции двух пространственно разнесенных оптических пучков от поверхности кристалла в присутствии поверхностной акустической волны (ПАВ) периодически изменяется при монотонном изменении частоты ПАВ, причем период осцилляций интенсивности определяется величиной фазовой скорости ПАВ и расстоянием между центрами оптических пучков [22, 23].
2. Брэгговская дифракция на поверхностной акустической волне множества (до нескольких сотен) узких когерентных оптических пучков корректно описывается в спектральном приближении [26, 28, 29].
3. Для множества узких когерентных оптических пучков, распространяющихся по планарному волноводу и сформированных мультиотражательным расширителем пучка (т.е. полосковым волноводом с большим числом периодически расположенных наклонных частичных отражателей), диаграмма направленности монотонно изменяется (сканирует) в плоскости планарного волновода при изменении длины волны оптического излучения [28, 29].
4. Интерференция множества (до нескольких сотен) когерентных оптических пучков в сложных волноводных структурах с мультиотражательными расширителями пучка и фазосдвигающими акустооптическими и/или термооптическими элементами, приводит к аномально высокой чувствительности результирующего сигнала к изменению длины волны света [26-30]. Данный эффект обеспечивает широкополосную перестраиваемую фильтрацию и мультиплексирование оптических длин волн со сверх узким спектральным разрешением.
5. Широкие и тонкие многомодовые оптические волноводы становятся квази-одномодовыми, когда содержат в окрестности боковых границ сильно легированные области с высокой концентрацией свободных носителей заряда [60, 61]. Одномодовое поведение широкого (гетерогенного) волновода обеспечивается перераспределением оптических полей его волноводных мод, которое приводит к низким потерям на распространение для фундаментальной моды и значительному увеличению потерь для мод более высокого номера.
6. Канальный анизотропный волновод приобретает свойство лестественной оптической активности, если его изготовить вдоль направления, соответствующего минимальному расщеплению дисперсионных кривых гибридных волноводных мод [10, 59].
7. Эффективность ввода/вывода света из оптического волновода в моды излучения при посредстве поверхностной акустической волны значительно увеличивается (на два порядка) при условии выполнения фазового синхронизма с вытекающей волной [19].
Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается количественным соответствием результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также из сравнения результатов моделирования с результатами численных экспериментов методами FDTD и BPM на основе апробированных коммерческих программных продуктов FullWave и BeamProp от компании RSoft Design Group Inc. [Д10].
Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе докладывались автором на международных и отечественных конференциях, в том числе, на Научно-техническом семинаре ПАВ НТО PC им. Попова (1977 - Киев), Всесоюзных конференциях по квантовой акустике и акустоэлектронике (1978 - Ташкент, 1981 - Душанбе, 1986 - Черновцы), Совещании по УПВ (19- Новосибирск,), Школе-семинаре по проблеме поверхностные волны в твердых телах (1982 - Новосибирск), на Международном ультразвуковом симпозиуме (1995 - Сиэтл, США; 1997 - Торонто, Канада; 1998 - Сендай, Япония; 1999 - Тахо, США; 2000 - Сан Хуан, Пуэрто Рико, США), Симпозиуме по частотному контролю (1997 - Орландо, США; 1999 - Безансон, Франция), Ежегодной конференции IEEE/LEOS (2002 - Глазго, Шотландия), Европейской конференции по интегральной оптике (ECIO: 2001 - Падернборн, Германия; 2003 - Прага, Чешская Республика;
2005 - Гренобль, Франция; 2007 - Копенгаген, Дания), Симпозиуме по теории и численному моделированию оптических волноводов (OWTNM: 2001 - Падернборн, Германия; 2003 - Прага, Чешская Республика; 2005 - Гренобль, Франция; 2006 - Варезе, Италия; 2007 - Копенгаген, Дания), Международной школе по когерентной оптике (1984 - Йена, ГДР), Международном симпозиуме УПоверхностные волны в твердых телах и слоистых структурахФ (1989 - Варна, Болгария; 1998 - Ст.Петербург, Россия), а также обсуждались на семинарах в Институте физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск; Институте автоматики и электрометрии СО РАН, г.Новосибирск; в Институте радиотехники и электроники РАН, г. Москва; в Калифорнийском университете г. Ирвин, США; в Политехническом университете г.Бари, Италия и в Университете г.Падернборн, Германия.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 62 работы [1-62] (19 без соавторов), в том числе 29 статей в реферируемых журналах [2-30], глава в книге УКремниевая фотоникаФ [31], авторское свидетельство [32], два российских патента [33,34], три американских патента [3537], а также 25 докладов в трудах международных конференций [38-62], прочитано 2 курса лекций (20 и 24 учебных часа) в Политехническом университете г.Бари, Италия [65, 66].
Основные научные результаты диссертации обсуждались на 26 отечественных и международных научных конференциях, полностью опубликованы в 23 статьях в реферируемых журналах из списка ВАК [2-4, 6-9, 11-13, 15-20, 22, 23, 26-30], в 1 авторском свидетельстве СССР [32], в 2 российских патентах [33, 34], а также в 25 докладах [38-62] в трудах международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, содержащих оригинальные результаты, и заключения. Общий объем диссертации составляет 2страниц, включая 86 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 195 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
(по главам) Во введении представлена общая характеристика работы, рассматривается актуальность темы, определяется цель работы, новизна полученных результатов, их практическая значимость, формулируются защищаемые научные положения, и приводится краткое содержание диссертации.
Первая глава является в основном обзорной и посвящена описанию современного состояния исследований по направлению Уволноводная акустооптика и интегральная оптикаФ. В ней обсуждаются литературные данные, а также работы диссертанта [1-21, 32, 38-40, 50], создающие методическую основу для данной работы. Дается описание основных закономерностей распространения направляемых оптических волн и их взаимодействия с поверхностной акустической волной в оптических волноводных структурах на основе полупроводниковых и пьезоэлектрических кристаллов. В частности, экспериментально исследовано акустооптическое взаимодействие в анизотропных оптических волноводах с участием вытекающей волны и было продемонстрировано [19] увеличение на два порядка величины эффективности АО ввода света в анизотропный волновод на ниобате лития, когда падающая объемная обыкновенная волна преобразовывается за счет дифракции на ПАВ в TM направляемую волну (см. Рис.1). Данный результат наглядно показывает, насколько велико в определенных условиях может быть влияние анизотропии и интерференции при дифракции света на акустической волне в планарных волноводах. В частности он демонстрирует возможность создавать акустооптические устройства без традиционных элементов ввода/вывода излучения в волновод, что может быть использовано при разработке интегрально-оптических устройств, например, датчиков температуры [32], основанных на анизотропной дифракции света на ПАВ в ниобате лития. Теоретически описаны [11] и экспериментально исследованы [12] сложные волноводные структуры As2S3/LiNb03 на основе тонких покрытий с высоким показателем преломления, которые демонстрируют значительное увеличение эффективности дифракции ТЕ и ТМ мод за счет перераспределения их оптических полей.
Рис.1. Эффективность АО ввода обыкновенной объемной волны в ТМ1 волноводную моду за счет дифракции на ПАВ. 2 - АО преобразование при посредстве вытекающей волны анизотропного волновода, 1,3- типичное АО преобразование с помощью мод излучения, 4- частотный отклик встречно штыревого преобразователя (ВШП) для возбуждения ПАВ.
Делается вывод о необходимости и перспективности изучения акустооптического взаимодействия и интерференционных эффектов в сложных волноводных структурах.
Во второй главе рассмотрено проявление многолучевой интерференции при акустооптическом взаимодействии на примере одновременной дифракции двух пучков света на ПАВ [22-25, 40-49]. Показана высокая чувствительность интенсивности дифрагированного поля к изменению частоты и скорости ПАВ [22, 23]. Описана экспериментальная установка и приводятся результаты экспериментального исследования распространения ПАВ (см.Рис.2) на ST-кварце.
Здесь два параллельных и пространственно разделенных оптических пучка дифрагируют на различных участках вдоль пути распространения ПАВ. Далее световые пучки различных (0, 1) порядков, отраженные от поверхности с ПАВ, объединяются попарно и создают интерференционную картину, которая периодически меняется при изменении частоты ПАВ. В параксиальном приближении получено аналитическое выражение для динамического изменения рассеянного оптического поля, описывающее дифракцию двух оптических пучков на ПАВ в анизотропной среде, которое хорошо соответствует экспериментальной (см.Рис.2б). Это позволяет решить обратную задачу определения скорости ПАВ с точностью до 0.5 м/с на основе анализа интерференционной картины дифрагированного поля как функции частоты ПАВ [22, 23].
Рассчет MM2 Эксперимен 1.D ФД 0.0.ВШП Z 0.X 0.2 Z v r0 Ось 0.rX 193 194 195 196 197 198 1интерф.
f, МГц Y Y ПАВ а) б) Рис.2 (а) Геометрия двухзондового метода измерения скорости ПАВ. М1 - полупрозрачное зеркало, М2 - непрозрачное зеркало; (б) Экспериментальная зависимость эффективности дифракции от частоты ПАВ, измеренная точечным фотодетектором.
В третьей главе приведены результаты теоретических исследования многолучевой интерференции в планарных волноводных структурах As2S3/LiNbO3 [26, 28-30, 51-54, 60, 62].
Главным параметром, подлежащим исследованию является частотная зависимость эффективности прохождения оптического сигнала со входа на выход оптического элемента.
Эффекты интерференции в сложных волноводных структурах с мультиотражательными расширителями оптического пучка приводят к тому, что на каждом акте элементарного отражения I, произв. ед.
оптическая волна теряет в фазе четверть длины волны. Это обеспечивает (для дискретного набора оптических частот) суммирование в фазе множества микропучков отраженных от разных элементарных отражателей, что в свою очередь приводит к высокой эффективности и узкой полосе пропускания оптического элемента, состоящего из двух мультиотражательных расширителей пучка. Предложена и исследована схема построения перестраиваемых акустооптических фильтров [28, 29, 61] (см. Рис. 3) в структурах As2S3/LiNb03 на основе эффекта многолучевого расширения пучка [34]. Благодаря высоким дисперсионным свойствам мультиотражательных расширителей пучка, обеспечивается фильтрация оптического излучения со сверхвысоким частотным разрешением. Мировой приоритет в данном направлении исследований закреплен двумя российскими [33, 34] и двумя американскими патентами [35, 37].
Широкодиапазонная перестройка в пределах стандартного спектрального C-диапазона осуществляется за счет брэгговской дифракции и интерференции большого числа когерентных оптических пучков на поверхностной акустической волне.
Работу мультиотражательного АО фильтра можно кратко описать следующим образом (см.
Рис.3а) [28, 29, 33]. Пусть полихромный оптический луч (In), содержащий множество разных длин волн в пределах FSR устройства, поступает на первый мультиотражательный расширитель пучка (8), а именно, на входной полосковый волновод (1), на котором изготовлен массив из множества периодически расположенных частичных отражателей (7). Он расширяет в сотни раз входной оптический луч (за счет последовательного размножения пространственного распределения поля входного пучка на каждом частичном отражателе) и перенаправляет его в планарный оптический волновод (2). Далее расширенный оптический луч проходит через область AO взаимодействия и дифрагирует на ПАВ (5). Дифрагированная волна изменяет направление распространения (относительно падающей волны) на двойной угол Брэгга и поступает на следующий расширитель луча (9). Этот расширитель луча работает как взаимный оптический элемент, способный преобразовать широкий оптический луч в тонкий пучок и направить его вдоль полоскового оптического волновода канала вывода (Drop). Связанная рабочая пара расширителей пучка образует многолучевой интерферометр, который за счет особым образом устроенной интерференции многочисленных световых микропотоков, осуществляет эффективную фильтрацию оптического излучения. Изюминка в том, что он отфильтровывает лишь те оптические микропотоки, что складываются в фазе на выходе оптического волновода второго расширителя пучка (9). И это условие УконструктивнойФ интерференции удовлетворяется только для определенной оптической длины волны, имеющей заданное направление распространения относительно расширителя пучка, определяемое углом и периодом микроотражателей, длиной волны ПАВ, а также параметрами оптических волноводов. Изменяя частоту ПАВ, можно изменить направление распространения дифрагированного луча, падающего на расширитель пучка (9) канала фильтрации и, таким образом, обеспечить широкий диапазон перестройки оптической длины волны, которая будет динамически фильтроваться расширителем пучка и направляться на вывод устройства (Drop). Мощность ПАВ выбирается из условия обеспечения 100%-ой эффективности дифракции на длине волны фильтрации.
Правильность концепции построения акустооптических фильтров на основе мультиотражательных расширителей пучка подтверждена численными экспериментами (см. Рис.
4) [29] методом FDTD с помощью коммерческого программного продукта FullWAVE [Д10]. В данном примере АО фильтр содержит два мультиотражательных расширителя пучка по наклонных отражателя в каждом, а также дифракционную решетку показателя преломления, описывающую влияние поверхностной акустической волны.
8 d 5 4 неколл.,1 ГГц 10 колл.
y x z неколл.+МОРП Германия 100 Япония In Россия 0 2 4 6 8 Drop Длина АО фильтра, см а) б) Рис. 3. (а) Неколлинеарный АО фильтр в структуре As2S3/LiNb03 на основе мультиоотражательных расширителей пучка; 1 - полосковый волновод, 2 - планарный волновод. - пьезоэлектрическая подложка, 4 - ВШП, 5 - ПАВ, 6 - поглотитель ПАВ, 7 - элементарный отражатель, 8 - первый расширитель пучка, 9 - второй расширитель пучка.
(б) сравнительные параметры разных типов акустооптических устройств, предложенных в Германии (Университет Падерборна), Японии (Фуджицу) и России (ИФП СО РАН, Царев).
=1.1 мкм 0.25 =1.2 мкм =1.3 мкм =1.4 мкм 0. =1.5 мкм 0.0.0.0.1.46 1.48 1.50 1.52 1.54 1.56 1.58 1.60 1.62 1.Длина волны света (мкм) Рис. 4. Эффективность фильтрации оптического фильтра с дифракционной решеткой и двумя расширителями пучка с 32 элементарными отражателями. Расчет 2D FDTD с шагом 0.05 мкм, апертура L= 50 мкм, ширина волновода w = 3.8 мкм, шаг отражателей d = 4.6 мкм, толщина отражателя D = 0.39 мкм, полуширина линии фильтрации =4.5 нм.
Ширина линии, ГГц Эффективность n=2.0.00.0 n=2.0.0 n=2.0.00.0 n=2.0.0 n=2.28 0.00.010 0.00.00.00.00.00.00.00.00.0 0.1 0.2 0.3 0.0 100 200 300 400 500 6Толщина отражателя, D(мкм) Номер отражателя (а) (б) Рис. 5. Расчетные зависимости коэффициента отражения R по мощности. (а) по методу 2D FDTD как функция толщины отражателя D для разных значений показателя преломления n отражающей полоски; (б) оптимальное распределение (по феноменологической модели) как функция номера отражателя для первого и второго расширителей пучка (кривые 1 и 2). Угол падения 52.50. Пример АО фильтра с сеткой частот 25 ГГц.
Рис. 6. Расчет в спектральном приближении углового спектра падающего оптического пучка Gm до (1) и после (2) области АО взаимодействия. На вкладке показан спектр Gn(2) дифрагированной волны. Случай АО фильтра с сеткой частот 25 ГГц. L = 600 мкм, длина волны ПАВ = 2.86 мкм, = 1.54 мкм, d = 10 мкм, оптическая апертура 0.58 см. Виден переброс энергии спектра за счет дифракции на ПАВ из падающей волны А-Gm(1) в дифрагированную волну а-Gn(2). При этом происходит истощение падающего пучка А-Gm(2).
Выполнено моделирование реальных прототипов АО устройств, содержащих несколько сотен отражателей с помощью оригинального подхода на основе метода связанных мод и спектрального приближения (см. Рис. 5-7) [26, 28, 51-54, 62]. Его применимость проверена из сопоставления с результатами численных экспериментов по методу FDTD для малого числа отражателей.
Коэффициент отражения, R Коэффициент отражения, R Показано, что за счет оптимального выбора коэффициента отражения у разных отражателей расширителей пучка (см.Рис.5), можно осуществлять высокоизбирательную фильтрацию оптического излучения (см.Рис.7). В частности на длине взаимодействия 0.58 см устройство обеспечивает рекордное для акустооптических элементов спектральное разрешение (лучше 0.нм), высокое подавление паразитных сигналов (больше -30 дБ), малое время переключения (менее 2 мкс), широкий диапазон перестройки длины волны (больше 40 нм) и малые управляющие мощности ПАВ (2-3 мВт). В структурах As2S3/LiNb03 расширители пучка могут быть изготовлены за счет локальных изменения показателя преломления в оптическом волноводе при облучении электронным пучком либо локальной засветкой оптическим излучением в ультрафиолетовом диапазоне.
1.56 1.55 1.54 1.53 1.52 (m) 0.2.3.2.3.2.0.0.0.0.0.1E-0.1E-0.194.675 194.700 194.725 194.7191 192 193 194 195 196 197 1Частота света (ТГц) Optical frequency (THz) а) б) Рис. 7. (а) Спектральная зависимость эффективности фильтрации для АО фильтра с сеткой частот 25 ГГц. d= 10 мкм, длина волны ПАВ = 2.86 мкм (f = 760 МГц), оптическая апертура 0.58 см для оптимального выбора зависимости R(N) из Рис.5б; (б) Расчет в спектральном приближении зависимости эффективности фильтрации от частоты света для разных значений длина волны ПАВ (в мкм). Пример АО фильтра с сеткой частот 250 ГГц. d = 10 мкм, оптическая апертура 0.058 см.
В четвёртой главе приведены результаты теоретических исследования многолучевой интерференции в гребенчатых волноводах на толстых структурах КНИ [27, 30, 31, 55, 56, 58, 60].
Предложены компактные перестраиваемые фильтры и мультиплексоры на основе мультиотражательных расширителей пучка [34] и канальных волноводов с термооптическим управлением (см. Рис. 8) [27]. Кремний обладает отличными оптическими свойствами и имеет высокий термооптический коэффициент, поэтому в качестве базовых для исследований выбраны структуры кремний-на-изоляторе. Оригинальность подхода [27] на основе мультиотражательных структур [34] подтверждена в 2006 г. патентом США [36].
Intencity Интенсивность Y 1 4 3 d Z X Out In dx dz Drop Add Through а Add Through 11 8 Out X Z Drop In 10 7 5 б 9 11 8 Through Add Out 10 Drop 7 5 2 In в Рис.8.Принципиальная схема мультиотражательных мультиплексоров на КНИ.
(а) с прямоугольной ориентацией волноводов; (б) с наклонной ориентацией волноводов и большим углом падения света на отражатель; (в) с наклонной ориентацией волноводов и малым углом падения света на отражатель.
1 - входной расширитель пучка (In) с контрольным выводом (Out), 2 - элементарный отражатель, 3- буферная p+ область, 4 - отраженный микропучок, 5 - массив поперечных соединительных волноводов, 6 - полосковый волновод входного расширителя пучка, 7 - полосковый волновод расширителя пучка канала фильтрации (Drop), 8 - полосковый волновод расширителя пучка для добавления сигнала (Add), 9 - полосковый волновод расширителя пучка канала прохождения (Through), 10 - фазосдвигающие элементы тонкой настройки, 11 - фазосдвигающие элементы грубой настройки, 12 - p+ область полоскового волновода, 13 - буферный окисный слой.
По аналогии с работой мультиотражательного АОФ, перестройку рабочей длины волны устройства можно обеспечить, поворачивая фазовый фронт волны, а именно, внося линейно изменяющийся (от волновода к волноводу) оптический сдвиг фаз для микропотоков, которые проходят через массив оптических волноводов (5). Самый простой и легко реализуемый путь, при котором фильтрованная длина волны может быть перестроена единственным сигналом, обеспечивается фазосдвигающими элементами тонкой настройки (10), представляющие собой нагреватели, расположенные вдоль расширителей пучка (6) - (9). Максимальный диапазон тонкой настройки длины волны обычно не очень велик ( /( ~ (n/n), что обусловлено естественными физическими ограничениями, связанными с возможностью изменения показателя преломления (n в области волновода.
Диапазон перестройки можно увеличить в (r = 1/(1-sin() раз при наклонном (под углом () расположении волноводов (см. Рис.8б,в). Термооптические элементы для широкодиапазонной (грубой) перестройки (11) располагаются вдоль массива поперечных полосковых волноводов (5) и, следовательно, могут быть достаточно длинными, чтобы обеспечить требуемый сдвиг фаз даже для малых приращений показателя преломления.
Комбинация элементов тонкой и грубой настройки обеспечивает гибкость управления фильтруемой длиной волны при минимальных управляющих температурах фазосдвигающих элементов.
Свойства данных типов перестраиваемых мультиплексоров ввода-вывода проанализированы для структур кремний-на-изоляторе (см. Рис. 9, 10) [27, 31, 55, 58] на основе лучевой модели с феноменологическими параметрами (коэффициентами отражения и прохождения, и потерями на рассеяние), а также с учетом многократных отражений и многолучевой интерференции оптических микропотоков. Показано, что предлагаемый термооптический мультиплексор превосходит многие конкурентные технологии по числу перестраиваемых каналов (до 200-400), крутизне температурной перестройки (до 0.6 нм/С0) и ширине линии фильтрации (от 6 до 25 ГГц).
Предложены двухгребневые волноводные структур на КНИ (см. Рис. 11) [31, 58], которые демонстрируют более высокую эффективность температурного управления, чем у обычных гребенчатых волноводов. Оптимальный дизайн мультиплексора и фазосдвигающих элементов тонкой и грубой настройки позволяют обеспечивать перестройку в пределах 40 нм (5 ТГц) при малом температурном нагреве (65 С) его фазосдвигающих элементов (см.Рис.10) [58], причем без использования принципа нониуса [Д9].
Правильность предлагаемой концепции мультиплексирования подтверждена с помощью независимых численных экспериментов методом FDTD для случаев расширителей пучка с разным, но небольшим (до 32) числом отражателей (см. Рис. 12) [30, 58].
0.0 in TE Through 0.0 drop TE Drop 0. TM Through through 0.0 TM Drop 0.0.01E-0.01E-0.0193.350 193.375 193.400 193.425 193.40 100 200 300 4M Частота света, ТГц (а) (б) Рис. 9. Функция модуляции коэффициента отражения (а) и рассчитанная частотная характеристика (б) для наклонного ROADM с частотным планом 25 ГГц. Внутренние потери для ТМ поляризации:
ILD = 1.27 дБ, ILT = 1.31 дБ и для TE поляризации: ILD = 1.42 дБ, ILT = 1.46 дБ. Лучевая модель.
Through Through 0.0.T= T=T=T=T= T=0.0.T= T=1E-1E-1E-1E-193.2 193.3 193.4 193.5 193.6 193.7 193.8 193.192 193 194 195 1f(ТГц) f(ТГц) (а) (б) Рис. 10. Моделирование частотной характеристики ROADM с частотным планом 25 ГГц для различного температурного нагрева сердцевины волноводов фазосдвигающих элементов тонкой настройки. (а) Прямоугольная архитектура ( = 0), d = 8.635 мкм, / T = 10.4 ГГц/C или 0.0нм/C; (б) Наклонная архитектура ( = 60), d = 64.5 мкм, / T = 78 ГГц/C или 0.63 нм/C.
учевая модель.
W T w w H SiO d R w w Si h SiO t Рис. 22.
Рис. 11. Общий вид массива двухгребневых волноводов с нагревателем на вершине.
R Эффективность I(f) I(f) 0.7 Out Drop 0. Through 0.0.0.0.0.0.1.50 1.55 1.60 1.Длина волны света, мкм (а) (б) Рис. 12. Электрическое поле (а) и эффективность фильтрации (б) ТЕ0 моды для мультиотражательного ROADM с 16 наклонными отражателями, которые показаны как темные наклонные эквидистантные полоски. Расчет 2D FDTD с шагом сетки - 0.04 мкм. Длина волны 1.5621 мкм соответствует максимуму сигнала фильтрации.
В пятой главе приведены результаты теоретических исследований [60, 61] гетерогенных полосковых оптических волноводов (см.Рис.13а) на тонких (наноразмерных) структурах КНИ.
Оптические волноводы на основе наноразмерных структур кремний-на-изоляторе широко используются при создании различных фотонных элементов [Д11], технология изготовления которых может быть совместима со стандартной полупроводниковой КМОП технологией [Д11].
Из-за высокого контраста показателя преломления сердцевины из кремния (3.478) и окружающего оксида (1.447), тонкие одномодовые волноводы на КНИ имеют малую субмикронную сердцевину и сравнительно высокие потери [Д11]. Изготовление тонких волноводов на КНИ совместимо с технологией фотонных кристаллов, которую можно использовать для создания двумерных дифракционных решеток [Д12] для ввода света по нормали из оптоволокна в нановолноводы.
Однако, высокий контраст показателя преломления приводит к невозможности выполнить одновременно взаимоисключающие требования на оптимальные геометрические размеры (ширину и высоту) кремниевой сердцевины волновода. Для снижения паразитных сигналов волновод должен быть одномодовым, т.е. иметь субмикронные размеры. В поперечном направлении (в глубь волновода) это условие выполняется за счет оптимальной толщины (2нм) высококачественного слоя кремния. В тоже время, ширина таких полосковых волноводов должна быть достаточно велика (порядка 10 мкм), чтобы обеспечить приемлемое согласование с оптоволокном, и, следовательно, они обязательно являются многомодовыми, содержащими десятки мод.
Эти общие утверждения подтверждены прямыми расчетами [60, 61] по методу распространяющихся пучков, реализованного в коммерческом пакете BeamPROP [Д10]. В Эффективность частности, на Рис. 13б приведены зависимости дополнительных оптических потерь на свободных носителях заряда (дырках) от ширины легирующих областей Wg для трех первых волноводных мод в гетерогенных оптических волноводах КНИ. Хорошо видно, что при ширине Wg 2-8 мкм обеспечивается эффективная селекция фундаментальной моды по сравнению с модами большего номера. Т.е. гетерогенный волновод с кремниевой сердцевиной 0.216 мкм2 можно сделать квази-одномодовым с оптическими потерями 1-3 дБ/см. Дополнительное преимущество гетерогенных волноводов заключается в слабой зависимости оптических потерь от уровня шероховатости его боковых границ. Это вызвано как большой шириной гетерогенного волновода, так и тем, что поле фундаментальной моды изолировано от источников рассеяния с помощью p+ областей. Поэтому оптические потери гетерогенного волновода ниже, чем у стандартного одномодового волновода на КНИ меньшего сечения ( 220500 нм2), изготовленного по той же технологии КМОП [Д11].
m=0 Nm=2.851325+0.0000065j m=1 Nm=2.849507+0.0000244j W=8 мкм W=10 мкм 1.2 m=2 Nm=2.847083+0.0000417j 2. n(x) m=0 m=20 m=1 m=0.18 m=2 m=2.0.2.0.-0.1.-0.-1.2 1.0 2 4 6 8 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 X, мкм Wg, мкм а б Рис. 13. Оптические свойства гетерогенных полосковых волноводов на тонких слоях КНИ с p+ областями на его краях: а - распределение действительной части показателя преломления и оптических полей первых трех мод (w = 8 мкм, Wg = 4 мкм); б - дополнительные оптические потери на свободных носителях заряда (дырки) в полосковом оптическом волноводе для различных волноводных мод как функция ширины легирующих областей Wg для w = 8 мкм ( n = 0.002) и w = 10 мкм ( n = 0.0013). Расчет 2D BPM.
Использование тонких и широких гетерогенных волноводных структур на КНИ обеспечивает их совместимость с запатентованной мультиотражательной технологией [34], упрощенный ввод оптического излучения по нормали из оптоволокна в волновод и эффективное решение проблемы поляризационной независимости устройств (с помощью 2D решеток ввода/вывода) [Д12].
В шестой главе Предложены и исследованы волноводные элементы контроля поляризации [57, 59], которые важны для обеспечения поляризационной независимости предлагаемых устройств.
Предложен и исследован методом FDTD волноводный поляризатор [57], представляющий собой набор вертикальных канавок, пересекающих сердцевину волновода под углом Брюстера (см. Рис.
n(x) Hy Потери, дБ/см 14). Показано, что компактное волноводное устройство размером всего 1224 мкм2 может обеспечить (за счет эффекта многолучевой интерференции) селекцию оптических волн по поляризации на уровне 20-30 дБ при внутренних потерях около 1 дБ.
Предложен и исследован методом BPM волноводный элемент для вращения поляризации [59] оптического излучения. Его уникальность заключается в сочетании простоты изготовления и высоких технических параметров. Он представляет собой канальный волновод, изготовленный под углом около 5-6 градусов к оси Z на Y-срезе ниобата лития (см. Рис. 15). Оптимальный угол соответствует условию минимального расщепления дисперсионных кривых квази-ТЕ и квази-ТМ мод анизотропного волновода. Показано, что в случае выбора оптимальных параметров волновода, устройство, за счет одновременного возбуждения и интерференции циркулярных гибридных мод анизотропного волновода (с противоположным направление вращения круговой поляризации), поворачивает входную линейную поляризацию на 90 градусов на длине всего 8 мм.
а) б) Рис.14. Моделирование прохождения света через набор глубоких канавок под углом Брюстера к оси волновода КНИ шириной 8 мкм. (а) ТЕ поляризация (T=0.8), (б) ТМ поляризация (T=10-3).
Ширина канавки 0.69 мкм, расстояние между канавками 0.35 мкм, смещение осей волноводов до и после отражателей 3.8 мкм.
Pathway, Monitor:
1.4000 1.1, Quasi-TE 0.0.1, Quasi-TM 301, Power: TE+TM 0.0.200.4 0.100.2 0.0.0 0.0 100 200 300 400 1.0 0.5 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80X (m) Monitor Value (a.u.) Propagation Direction (m) Propagation Direction (m) (a) (b) (c) Фиг.15. Расчет методом 3D BPM преобразования поляризации в канальном анизотропном волноводе, изготовленном под углом 5.70 по отношению к оси Z на Y-срезе LiNbO3.
Расчеты для разной входной поляризации: (a) TE&TM, (b) TM, (c) TE.
Z ( m) Power Monitor Value (a.u.) В заключении формулируются основные результаты и выводы настоящей работы, оговорен личный вклад автора.
Диссертационная работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского Отделения РАН, г. Новосибирск. На первом этапе (1977-1987 гг.) исследования велись под руководством д.т.н. И.Б.Яковкина и д.ф.-м.н. Д.В.Петрова. Здесь личный вклад автора заключается в участии в постановке задач исследований, в подготовке проведении экспериментов и расчетов и по изучению распространения направляемых оптических волн и их дифракции на ПАВ, анализе, интерпретации и обобщении полученных данных, которые в основном отражены в обзорной главе 1.
ичный вклад автора при проведении остальной части исследований (1987-2007 гг., см.
главы 2-6) заключается в постановке задач, общем руководстве (в случае совместных работ), проведении теоретических и экспериментальных исследований, численном моделировании, анализе и обобщении результатов исследований. Все основные результаты получены автором лично, либо при его ключевом участии.
Оптические структуры, описанные в обзорной главе 1, были изготовлены на основе кооперации в рамках совместных исследований. Часть расчетов к обзорной главе 1 выполнены с помощью программ, разработанных Е.А.Колосовским, который также участвовал в совместных расчетах к главам 2 и 3. Расчеты структуры ПАВ выполнены Р.М.Тазиевым и С.М.Киккариным.
Расчет температурных полей в гребенчатых волноводах на КНИ из главы 4 с помощью коммерческого пакета FEMLAB выполнили Vittorio M. N. Passaro и Francesca Magno, Политехнический университет, г.Бари, Италия.
Автор признателен И.Б.Яковкину, Д.В.Петрову, Е.А.Колосовскому, С.М.Киккарину, Р.М.Тазиеву, К.К.Зилингу, В.В.Атучину и другим соавторам публикаций, вошедших в данный труд, за плодотворное творческое общение и повседневную помощь, чл.-корр. РАН С.В.Богданову за ценные замечания и поддержку работ по мультиотражательной фильтрующей технологии.
Автор благодарит компанию RSOFT Design Group. Inc, США, которая предоставила пользовательскую лицензию и техническую поддержку для комплекта программ для численного моделирования методами BMP и FDTD [Д10]. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 94-02-06118-а, № 97-02-18458-а и № 05-02-08118-ofi-a.
В результате проведенных фундаментальных исследований эффектов интерференции, дифракции на поверхностной акустической волне и распространения света в сложных оптических волноводных структурах были получены следующие основные результаты:
1. Экспериментально подтверждено [19], что в анизотропных волноводах в случае выполнения условий фазового синхронизма с вытекающей волной удается два порядка поднять эффективность ввода/вывода оптического излучения из планарного оптического волновода при дифракции на ПАВ.
2. Экспериментально и теоретически исследованы эффекты интерференции при дифракции двух пучков света на ПАВ [22, 23]. Показана высокая чувствительность интерференционной картины к изменению частоты и скорости ПАВ. Предложен двухзондовый метод измерения скорости ПАВ с точностью 0.5 м/с.
3 Выполнены теоретические исследования и численное моделирование (методами FDTD, BPM и на основе спектрального приближения) сложных волноводных структур, в частности, 3.1 Волноводного мультиотражательного расширителя оптического пучка [34]. Показано, что он обладает высокими дисперсионными свойствами и большим коэффициентом расширения [28, 29, 34] входного оптического излучения (до 1000 раз на размере оптического элемента 10104 мкм2) ;
3.2 Акустооптических перестраиваемых фильтров [26, 28-30, 33, 51-54, 62] на основе планарных волноводов в структурах As2S3/LiNbO3 с использованием мультиотражательных расширителей пучка. Показано [26, 28-30], что данные оптические элементы одновременно имеют малые размеры и обладают чрезвычайно высоким спектральным разрешением с шириной линии в 20 раз более узкой, чем у лучших акустооптических фильтров таких же размеров;
3.3 Перестраиваемых фильтров и мультиплексоров вода/вывода [27, 30, 31, 55, 56, 58, 60, 61] на основе канальных волноводов с термооптических управлением с использованием мультиотражательных расширителей пучка. Показано [27, 30], что устройство может перестраивать до 400 различных длин волн в пределах стандартного C-диапазона, а также иметь рекордную крутизну (до 0.6 нм/C) перестройки по температуре фильтруемых оптических длин волн без использования принципа нониуса;
3.4 Компактного (размером 1224 мкм2) волноводного поляризатора [57] на основе наклонных отражательных структур в виде глубоких канавок, располагаемых под углом Брюстера, с внутренними потерями около 1 дБ и подавлением паразитной поляризации на уровне 20-30 дБ;
3.5 Оптического элемента для вращения поляризации [59] на основе канальных анизотропных волноводов, принцип работы которого основан на одновременном возбуждении двух гибридных направляемых мод, имеющих разное направления вращения круговой поляризации и разные константы распространения. Показано, что в диффузном волноводе Ti:LiNbO3 достигается полное преобразование поляризации из квази-ТЕ в квази-ТМ и обратно на длине 8 мм;
3.6 Гетерогенных волноводов в тонких (наноразмерных) структурах кремний-на-изоляторе [60, 61], основанных на создании по краям широкого многомодового полоскового волновода (сечение кремниевой сердцевины 0.216 мкм2) дополнительных сильно легированных p+- областей. Показано [61], что при уровне легирования, приводящем к появлению свободных дырок с объемной концентрацией 1018 см-3, обеспечивается квази-одномодовое поведение широкого гетерогенного волновода благодаря перераспределению оптических полей волноводных мод, снижению оптических потерь для фундаментальной моды (до 1-3 дБ/см) и увеличению потерь (больше 10 дБ/см) для мод более высокого номера.
Основные выводы диссертационной работы состоят в следующем:
1. В анизотропном оптическом волноводе спектр мод излучения имеет квазидискретную природу, связанную с интерференцией оптических волн, отраженных от границ волновода.
Квазидискретный спектр проявляется экспериментально [19] в виде локальных максимумов на угловой интенсивности дифрагированных волн, излученных в глубь волновода при акустооптическом преобразовании из направляемой волны в спектр мод излучения. В случае выполнения условий фазового синхронизма между ПАВ, направляемой квази-ТЕ модой и вытекающей квази-ТЕ волной, эффективность взаимного АО преобразования между квази-ТЕ модой и модами излучения возрастет на два порядка за счет формирования поля вытекающей волны. Этот эффект позволяет эффективно вводить и выводить оптический пучок из волновода с помощью дифракции на ПАВ [19].
2. Эффекты интерференции в сложных волноводных структурах с мультиотражательными расширителями оптического пучка [34]обеспечивают, для дискретного набора оптических частот, суммирование в фазе множества световых микропотоков, отраженных от разных элементарных отражателей, что в свою очередь приводит к высокой эффективности и узкой полосе пропускания предлагаемого оптического элемента [26-30]. В структуре с наклонным расположением (под углом ) полосковых волноводов расширителей пучка наблюдается многократное увеличение в = 1/(1-sin ) раз крутизны перестройки длины r волны фильтрации к изменению показателя преломления у волноводов расширителей пучка. Эффекты интерференции в сложных волноводных структурах с мультиотражательными расширителями оптического пучка лежат в основе теоретического описания патентованных перестраиваемых фильтров и мультиплексоров с акустооптическим и термооптическим управлением [26-30].
3. Полосковый оптический волновод, изготовленный в анизотропном кристалле, приобретает свойство, сходное с естественной оптической активностью, если данный волновод ориентировать вдоль направления, соответствующего минимальному расщеплению эффективных показателей преломления гибридных волноводных мод квази-ТЕ и квази-ТМ поляризаций [59]. Данное свойство проявляется в повороте плоскости поляризации падающей волны по мере ее распространения по оптическому волноводу за счет одновременного возбуждения и интерференции двух гибридных волноводных мод с противоположным направлением вращения их циркулярной поляризации.
4. Широкий и тонкий многомодовый полосковый оптический волновод приобретает свойства одномодового волновода, если он содержит в окрестности боковых границ сильно легированные области с высокой концентрацией свободных носителей заряда [60, 61].
Такое легирование обеспечивает квази-одномодовое поведение широкого (гетерогенного) волновода благодаря перераспределению оптических полей волноводных мод, снижению оптических потерь на распространение для фундаментальной моды и значительному увеличению потерь для мод более высокого номера. Дырочная проводимость предпочтительнее электронной, т.к. обеспечивает более сильную селекцию (больше дБ/см) мод высокого номера при минимальных (1-3 дБ/см) оптических потерях фундаментальной моды.
5. Набор из глубоких отражающих полосок или канавок, пересекающих сердцевину канального оптического волновода под углом Брюстера, обеспечивает селекцию по поляризации проходящего по волноводу оптического пучка [57]. В случае квази-ТЕ волны падение света на отражатель под углом близким к углю Брюстера обеспечивает малые величины коэффициента отражения, значения которых можно варьировать в широких пределах изменением угла и ширины указанных наклонных отражателей [60].
6. Пространственное распределение интенсивности дифрагированного поля при отражении и интерференции двух пространственно разнесенных оптических пучков от поверхности кристалла в присутствии поверхностной акустической волны периодически изменяется при монотонном изменении частоты ПАВ, причем период осцилляций интенсивности определяется величиной фазовой скорости ПАВ и расстоянием между центрами оптических пучков [22, 23]. Этот эффект позволяет измерять скорость ПАВ с точностью до 0.5 м/с.
Совокупность полученных в работе результатов и сделанные на их основе выводы являются существенным вкладом в изучении акустооптического взаимодействия и интерференционных эффектов в сложных волноводных структурах и служат основой для создания принципиально нового класса мультиотражательных фильтрующих элементов [26-30, 32, 33] с чрезвычайно высоким спектральным разрешением и большим числом (> 200) перестраиваемых каналов. Предложенные гетерогенные волноводы могут стать основой для перспективных оптических элементов волноводной акустооптики, нонофотоники, и интегральной оптики.
Предложенные волноводные элементы контроля поляризации перспективны для обеспечения поляризационной независимости оптических элементов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Царев А.В. Акустооптическое взаимодействие в планарных изотропных градиентных волноводах, Автореф. Дис. Е канд. физ.-мат. наук. - Новосибирск, 1983, - 15 с.
Х Журнальные статьи 2. Петров Д. В., Царев А. В., Яковкин И. Б. Акустооптическое преобразование мод в диффузионном волноводе на поверхности ниобата лития. - Письма в ЖТФ, 1977, т. 3, в. 18, c.
933-936.
3. Зилинг К. К., Колосовский Е. А., Петров Д. В., Царев А. В., Яковкин И. Б. Влияние металлизации поверхности волновода на эффективность акустооптического взаимодействия ТЕ-мод. - ЖТФ, 1979, т. 49, № 8, c. 1783-1786.
4. Колосовский Е. А., Петров Д. В., Царев А. В. Частотная зависимость эффективности акустооптического взаимодействия в диффузионном оптическом волноводе. - Квантовая электроника, 1979, т. 6, № 9, с. 1896-1902.
5. Kolosovsky E. A., Petrov D. V., Tsarev A. V. Frequency dependence of acoustooptic interaction in anisotropic graded-index waveguide. - Applied Physics, 1979, v. 20, N 11 p. 325-328.
6. Зилинг К. К., Колосовский Е. А., Петров Д. В., Царев А. В., Яковкин И. Б. Использование обобщенных параметров приописании акустооптического взаимодействия в диффузном волноводе. - Квантовая электроника, 1980, т. 7, № 1, с. 80-86.
7. Колосовский Е. А., Петров Д. В., Царев А. В. Влияние параметров диффузного волновода на частотную зависимость эффективности акустооптического взаимодействия. - Квантовая электроника, 1980, т.7, № 8, с. 1728-1732.
8. Колосовский Е. А., Петров Д. В., Царев А. В., Яковкин И. Б. Частотная зависимость эффективности акустооптического взаимодействия ТМ-мод. - Квантовая электроника, 1981, т.8, № 5, с. 965-971.
9. Колосовский Е. А., Петров Д. В., Царев А. В. Численный метод восстановления профиля показателя преломления диффузных волноводов. - Квантовая электроника, 1981, т.8, № 12, с.
2557-2568.
10. Kolosovsky E. A., Petrov D. V., Tsarev A. V, Yakovkin I. B. An exact method for analyzing light propagation in anisotropic inhomogeneous optical waveguide. - Optics communications, 1982, v. 43, N 1, p. 21-25.
11. Колосовский Е. А., Петров Д. В., Царев А. В. Акустооптическое взаимодействие в диффузном оптическом волноводе с диэлектрической пленкой. - Квантовая электроника, 1982, т. 9, № 2, с. 247-53.
12. Петров Д. В., Фатеев В. А., Царев А. В., Цукерман В. Г., Яковкин И. Б. Акустооптическое взаимодействие в диффузном оптическом волноводе с диэлектрической пленкой. II.
Эксперимент. - Квантовая электроника, 1983, т.10, № 8, с. 1065-1068.
13. Петров Д. В., Царев А. В., Яковкин И. Б. Дисперсия эффективности акустооптического взаимодействия в волноводах Ti:LiNbO3. - Квантовая электроника, 1985, т. 12, в.1, с. 135-139.
14. Ilych A. A., Kikkarin S. M., Petrov D. V., Tsarev A. V., Yakovkin I. B. A comparison of acoustooptic interaction in Ti:LiNbO3 and GaAlAs waveguide. - Optics communications, 1985, v. 56, N 3, p. 161-166.
15. Ильич А. А. Киккарин С.М., Петров Д. В. Царев А. В., Яковкин И. Б. Акустооптическое взаимодействие в волноводе на основе GaAlAs. - Квантовая электроника, 1986, т. 13, № 1, с.
162-164.
16. Гуревич С. А., Киккарин С. М., Петров Д. В., Скопина В. И., Тимофеев Ф. Н., Царев А.
В., Яковкин И. Б. Акустооптическое взаимодействие в волноводе Ta2O5-SiO2-GaAs. - Письма в ЖТФ, 1986, т.12, в.20, с. 1225-1227.
17. Киккарин С. М., Царев А. В., Яковкин И. Б. Частотная зависимость эффективности акустооптического взаимодействия в волноводах на основе GaAlAs/GaAs. - Квантовая электроника, 1987, т. 14, № 10, с. 2064-2067.
18. Атучин В. В., Зилинг К. К., Петров Д. В., Царев А. В. Акустооптическое взаимодействие в волноводах Ti:LiTaO3. - Автометрия, 1988, № 4, с. 115-116.
19. Петров Д. В., Царев А. В., Яковкин И. Б. Спектральные свойства акустооптического преобразования с участием вытекающей волны анизотропного волновода. - Квантовая электроника, 1988, т.15, № 1, с. 173-177.
20. Киккарин С. М., Царев А. В., Шашкин В. В., Яковкин И. Б. Упругие свойства твердого раствора GaAlAs. - ФТТ, 1988, т. 30, в. 10, с. 2929-2932.
21. Kikkarin S. M., Petrov D. V., Tsarev A. V., Yakovkin I. B. Dispersion of acoustooptic interaction efficiency in GaAlAs/GaAs waveguides. - In: Guided Wave Optics: Selected Papers. A.M.Proklov, E.M.Zolotov. Editors., Proc. SPIE, 1993, v. 1932, p. 234-249.
22. Царев А. В. Двухпучковая дифракция света при отражении от поверхностной волны. - Оптика и спектроскопия, 1997, т. 83, № 1, с. 153-158.
23. Колосовский Е. А., Царев А. В., Яковкин И. Б. Улучшенная методика измерения скорости ПАВ в анизотропных структурах. - Акустический журнал, 1998, т. 44, № 6, с. 793-800.
24. Tsarev A. V. Diffraction of two optical beams by a SAW in an isotropic solid. - IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 1997, v. 44, N 6, p. 1215-1218.
25. Kolosovsky E. A., Tsarev A. V., Yakovkin I. B. Precise interferometric AO method for SAW velocity measurements in an anisotropic solid. - IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 1997, v. 44, N 6, p. 1219-1223.
26. Tsarev A. A new type of small size acousto-optic tunable filter with super narrow optical linewidth. - Applied Physics B, 2001, v. 73, N 5-6, p. 495 - 498.
27. Passaro Vittorio M. N., Magno Francesca, Tsarev Andrei V. Investigation of thermo-optic effect and multi-reflector tunable filter/multiplexer in SOI waveguides. - Optics Express, 2005, v. 13, N 9, p. 3429-3437.
28. Царев А. В., Колосовский Е. А. Компактный узкополосный перестраиваемый акустооптический фильтр. - Автометрия, 2006, т. 42, № 6, с. 93-104.
29. Царев А. В. Численное моделирование методом конечных разностей во временной области компактных акустооптических фильтров на основе многоотражательного расширения пучка. - Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 4, с. 393-398.
30. Царев А. В. Мультиплексоры для WDM с нанофотонными отражателями - новый путь к управлению многими сотнями оптических спектральных каналов. - Нано- и микросистемная техника, 2007, № 4, p. 51-55.
Х Книги 31. Tsarev A. V., Passaro V. M. N., and Magno F. Widely Tunable Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers in Silicon-on-Insulator Technology: a New Approach. - In: Silicon Photonics. Ed.
Passaro V. M. N./ Trivandrum, Kerala, India: Research Signpost, 2006, chapter 3, p. 47-77.
Х Патенты 32. Авт.свид. 932285 (СССР). Устройство для измерения температуры / А. В. Царев, Е. А.
Колосовский, Д. В. Петров. - Опубл. в Б.И., 1982, № 20.
33. Патент 2182347 (РФ). Акустооптический перестраиваемый фильтр / А. В. Царев. - Опубл. в Б.И., 2002 г, № 13.
34. Патент 2183337 (РФ). Расширитель пучка фильтр / А. В. Царев. - Опубл. в Б.И., 2002, № 16.
35. Patent 6,836,601 (United States). Beam-expanding device / A. V. Tsarev. - Published on December 28, 2004.
36. Patent 6,999,639 (United States). Tunable optical filter / A. V. Tsarev. - Published on February 14, 2006.
37. Patent 7,092,139 (United States). Acousto-optical variable filter / A. V. Tsarev. - Published on August 15, 2006.
Х Доклады на международных конференциях 38. Kikkarin S. M., Tsarev A. V., Yakovkin I. B. Elastic properties of GaAlAs and use of GaAlAs heterostructure in planar acoustooptics. - In: Proceeding of the 15th USSR-Japan Electronic Symposium on New materials for electronic device, Moscow, 5-6 Dec. 1988, p. 167-173.
39. Kikkarin S. M., Tsarev A. V., Yakovkin I. B. Elastic properties of GaAlAs and the use of GaAlAs heterostructutes in planar acoustooptics. - In: Proc. II Internation. Symp.on Surface Wave in Solids and Layered Structures, Varna, Bulgaria, 1989, p.380-388.
40. Tsarev A. V., Yakovkin I. B. The two beams method for the SAW velocity measurement. - In:
Proc. Fifth confer. AcoustoelectronicsТ91, Bulgaria, Varna, 1991, p. 116-118.
41. Kolosovsky E. A., Tsarev A. V., Yakovkin I. B. Two optical beams method for the SAW velocity measurements in anisotropic structures. - In: Proc. Ultrasonic Symposium, Seattle, USA, 1995, p.
405-408.
42. Kolosovsky E. A., Tsarev A. V. and Yakovkin I. B. Precise interferometric AO method for SAW velocity measurements in an anisotropic solid. - In: Proc. Advances in Acousto-Optics (AA-O'97), 2nd European Acousto-Optic Club's Meeting, St. Petersburg, Russia, 1997, p. 22.
43. Kolosovsky E. A., Tsarev A. V. Precise measurement of SAW velocity using multisectional comb filter. - In: Proc. 1997 IEEE International Frequency Control Symposium, Orlando, Florida, USA, 1997, p. 841-844.
44. Kolosovsky E. A., Tsarev A. V., Yakovkin I. B. Precise methods for the measurement of main characteristics of SAW in crystals. - In: Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, Toronto, Canada, 1997, v. 1, p. 231-234.
45. Vasiliev I. L., Kolosovsky E. A., Tsarev A. V. Theoretical and experimental investigation of two light beams diffraction by a surface acoustic wave in an anisotropic solid. - In: Proc. 4th International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures (ISSWAS-4), St.
Petersburg - Kizhi - Vallaam - St. Petersburg (on board a ship), 1998, p. 347-351.
46. Tsarev A. V., Kolosovsky E. A. Two Light Beams Diffraction by a Surface Acoustic Wave in an Anisotropic Solid. - In: Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium Hotel Metropolitan Sendai, Sendai, Miyagi, Japan, 1998, v. 2, p. 1151-1154.
47. Tsarev A. V., Kolosovsky E. A. Acoustooptic method for measurements of SAW steering beam angle and SAW velocity in an anisotropic solid. - In: Proc. Joint Meeting of the 13-th European Frequency and Time Forum and IEEE Frequency Control Symposium, Bezanson, France, 1999, v. 2, p. 903-906.
48. Tsarev A. V. and Kolosovsky E. A. The Improved Method of Determination basic SAW Characteristics by Measurement of Dynamic Interference Pattern Intensity of + 1 and -1 Diffracted Orders at the Output of a Two-beams Optical Interferometer. - In: Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium, Ceasars Tahoe, Nevada, 1999, p. 621-624.
49. Tsarev A. V. and Kolosovsky E. A. Restrictions and Possibilities for the SAW Velocity Measurement Utilizing the Two-Beams Optical Interferometer. - In: Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium, Caribe Hilton, San Juan, Puerto Rico, 2000, v. 1, p.643-646.
50. Tsarev Andrei V. Peculiarities of acoustooptic interaction in anisotropic and semiconductor waveguides. - In: Proc. IV International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures. International Conference for Young Researchers on Acoustoelectronics and AcoustoOptics Information, St.Petersburg, 1998, p. 310-314.
51. Tsarev Andrei. New Type of Small Size Acoustooptic Tunable Filter with Super Narrow Optical Bandwidth. - In: Proc. 10th European Conference on Integrated Optics (ECIO '01), Paderborn, Germany, 2001, p. 43-46.
52. Tsarev A. The New Architecture of Thermostable Acoustooptic Tunable Filter with Super Narrow Optical Linewidth and Low Sidelobe Level. - In: Proc. 2002 IEEE/LEOS Meeting, Glasgow, Scotland, 2002, p. 823-824.
53. Tsarev Andrei, Kolosovsky Eugeny. The Multiple Channel Acoustooptic Tunable Filter With Super Narrow Optical Linewidth Based on the Set of Multi-Reflector Beam Expanders. - In: Proc.
European Conference on Integrated Optics with technical exhibition, Prague, Czech Republic, 2003, v. I, p. 285-287.
54. Tsarev Andrei, Kolosovsky Eugeny. New Architecture of Tunable Acoustooptical Add/Drop Multiplexer for Dynamic DWDM with 25 GHz ITU Grid. - In: Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 2004, p. 64-67.
55. Tsarev Andrei V. and Passaro Vittorio M. N. Multi-reflector thermooptic reconfigurable add/drop multiplexer in SOI and polymer technologies for dynamic high dense WDM. - In: Proc. 12th European Conference on Integrated Optics, Grenoble, 2005, p. 394-397.
56. Tsarev A. Simulations of multi-reflector demultiplexer by 2D- and 3D-OPTIFDTD 3.0. - In: Proc.
13th International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling (OWTNM'05), Grenoble, France, 2005, P3.
57. Tsarev Andrei V. Simulation of New Integrated-Optics Polarisation Controller in SOI Technology.
- In: Proc. XV International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling, Varese, Italy, 2006, p.43.
58. Passaro Vittorio M. N., Magno Francesca, Tsarev Andrei V. Simulation of Thermo-Optic Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers in SOI Technology. - In: Proc. XV International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling, Varese, Italy, 2006, p.33.
59. Tsarev Andrei. The New Design and Numerical Simulation by 3D BPM of New Compact Polarisation Rotator in Anisotropic LiNbO3 Graded Index Waveguide. - In: Proc. 13th European Conference on Integrated Optics and Technical Exhibition (ECIOТ2007), 2007, Copenhagen, Denmark, 2007, ThG27.
60. Tsarev Andrei. Peculiarity of multi-reflector filtering technology. - In: Proc. 13th European Conference on Integrated Optics and Technical Exhibition (ECIOТ2007), Copenhagen, Denmark, 2007, ThG23.
61. Tsarev Andrei. Numerical Modelling on New Nano-Photonic SOI Waveguide Structures for MultiReflector Filtering Devices. - In: Proc. XVI International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling (OWTNMТ2007), Copenhagen, Denmark, 2007, p. 76.
62. Tsarev Andrei, Kolosovsky Eugeny and Taziev Rinat. Numerical Simulations of New Compact Acousto-Optic Tunable Filters Based on Multi-Reflector Technology. - In: Proc. XVI International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling (OWTNMТ2007), Copenhagen, Denmark, 2007, p. 20.
Х Курсы лекций 63. Tsarev A. V. Acoustooptic interaction in anisotropic and semiconductor waveguides. - Lecture course (20 hours), Politecnico di Bari, Italy, 1999.
64. Tsarev A. V. Acoustooptic devices. - Lecture course (24 hours), Politecnico di Bari, Italy, 2004.
Х Дополнительная литература Д1. Рытов С. М. Дифракция света на ультразвуковых волнах. - Известия АН СССР, сер. физ., 1937, т. 2, с. 223-259.
Д2. Гуляев Ю. В., Проклов В. В., Шкердин Г. Н. Дифракция света на звуке в твердых телах. - УФН, 1978, т. 124, в. I, с. 61-111.
Д3. Klein W. R., Cook B. D. Unified approach to ultrasonic light diffraction. - IEEE Trans. Sonics Ultrason., 1967, v. SU-14, N 3, p. 123-134.
Д4. Dixon R. W. Acoustic diffraction of light in anisotropic media. - IEEE J. Quant. Electron., 1967, v. QE-3, N 2, p. 85-93.
Д5. Интегральная оптика. / Под ред. Т.Тамира. - М.: Мир, 1978.- 344 c.
Д6. Tsai C. S. Guided-Wave Acousto-optics. Interactions, Devices and Applications. In: Springer Series in Electronics and Photonics, 23 / Berlin: Springer-Verlag, 1990.- 322 р.
Д7. Яковкин И. Б., Петров Д. В. Дифракция света на акустических поверхностных волнах. - Новосибирск: Наука, 1979. - 184 с.
Д8. Наний О. Е. Основы технологии спектрального мультиплексирования каналов передачи (WDM). - Lightwave Russian Edition, 2004, N 2, p. 47-52.
Д9. Floriot J., Lemarchand F., and Lequime M. Tunable double-cavity solid-spaced bandpass filter, Opt.
Express, 2004, v. 12, pp. 6289-6298.
Д10. www.rsoftdesign.com (Rsoft Photonic CAD Suite by RSoft Design Group, Inc.).
Д11. Bogaerts W., Baets R., Dumon P., Wiaux V., Beckx S., Taillaert D., Luyssaert B., Campenhout J. Van, Bienstman P. and Thourhout D. Van. Nanophotonic Waveguides in Silicon-on-Insulator Fabricated with CMOS Technology. - IEEE J. Lightwave Technol., 2005, v. 23, p. 401Ц412.
Д12. Taillaert D., Chong H., Borel P., Frandsen L., De La Rue R. and Baets R. A compact two-dimensional grating coupler used as a polarization splitter, IEEE Photonics Technol. Lett., 2003, v. 15, p. 1249Ц1251.