Введение к работе
Актуальность теин. Важнейшим современным научно-техническим направлением является разработка быстродействующих систем хранения, передачи и обработки оптической информации. В качестве базовых элементов в таких системах пшроко используются пленарные волноводы, конструктивно объединяемые с интегрально -оптическими и електронними компонентами различного функционального назначения.
Особенности волноводного распространения света в традиционных трехслойных плоских структурах, прозрачных в оптическом диапазоне, достаточно хорошо изучены [1,2]. Несмотря на их широкое применение, они не могут обеспечить необходимого комплекса волноводных характеристик. В этой связи особое значение приобретает изучение волноводов с дополнительными слоями, которые бы позволили решить проблему формирования эффективных пассивных и активных элементов о заданными рабочими параметрами. Интерес к четырехслойнш оптическим волноводам с поглощающим покровным слоем вызван их уникальными свойствами, обусловленными эффектами периодической связи между волноводными модами покровного и основного направляющих слоев [3]. Благодаря этому, такие структуры перспективны для создания поляризационных и частотных фильтров, модуляторов, переключателей и фотодетекторов. Кроме того, исследование особенностей распространения оптического излучения в волноводах о поглощением важно для описания физических процессов в гетероструктурах, на основе которых формируются интегрально-оптические излучатели. В последнее время интерес проявляется к многослойным волноводам, в которых диэлектрическая проницаемость (ДП) одного из слоев зависит от частоты [4,5].
Несмотря на интенсивные исследования в этих областях, можно выделить достаточно широкий круг вопросов, представляющих несомненный интерес и требующих своего решения. В частности, необходимо более детальное рассмотрение волноводных свойств асимметричных скалярных четырехслойных структур со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления (ІШ), изучение влияния поглощающего слоя на распространение мод и распределение их энергетических потоков как в случае слабого, так и сильного поглощения, обусловленного резонансной частотной зависимостью ДП. В связи с этим, выбранная тематика исследований является актуальной как в научном, так и
практическом отношении.
Цель работы - изучение особенностей распространения и локализации оптического излучения в прозрачных, поглощающих и резонансных многослойных структурах с различными профилями ДП, а также динамики изменения профиля ДП, оптических и твердотельных параметров волноводных структур при термоотжиге. В соответствии с втим в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
исследование режимов волноводного распространения света и, в частности, локализации оптического излучения в асимметричных ступенчатых и градиентных 4-слойных планарных структурах с высокопреломляющим покровным слоем;
получение и сравнение расчетных дисперсионных зависимостей, полученных на основе волнового и лучевого подходов для 4-слойных градиентных волноводов;
исследование волноводных свойств структур, содержащих поглощающие слои и слои с резонансной частотной зависимостью комплексной ДП;
экспериментальное изучение влияния термического воздействия на оптические параметры и коэффициенты диффузии в ионообменны! стеклянных волноводах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
детально проанализированы волноводные свойства и их зависимость от характеристических толщин, а также влияние дополнительного покровного слоя на локализацию энергетического потока в асимметричном 4-слойном волноводе;
с помощью волнового подхода и метода лучевого формализма получены дисперсионные уравнения для градиентного 4-елойного волновода с экспоненциальным распределением ДП основного слоя;
выявлены условия достижения одномодовых режимов распространения в прозрачных и поглощающих волноводных структурах;
исследованы особенности частотной трансформации мод и модо-вых характеристик в резонансной 4-слойной структуре и обнаружено существование частотного интервала, в котором затухание ТЕ -моды превосходит затухание моды ТМ - поляризации;
проведен анализ особенностей формирования профилей ДП, изменения оптических параметров и динамики коэффициентов диффузии в ионообменных стеклянных волноводах при термоотжиге.
Пракгичоская значимость работы заключается в том, что на основе полученных результатов могут быть значительно расширены функциональные возможности и эксплуатационные характеристики пассив-
ных интегрально-оптических устройств: модовых фильтров, поляризаторов, модуляторов мощности и т.д. и активных компонент интегральной оптики, работа которых связана о использованием поглощающих многослойных структур.
Положения, представляемые к защите.
1. Наличие высокопреломлящего покровного слоя позволяет
эффективно управлять характеристиками волноводных мод в
4-слойных асимметричных пленарных структурах. Представление на
бега фазы в виде: Ъ h = (т + <х)я, где I , Лит - толщина,
J J J 3 о о
поперечная компонента волнового вектора и модовое число в покровном слое, а число а может принимать значения от нуля до единицы, дало возможность обнаружить периодичность изменения константы распространения в ступенчатой и градиентной асимметричных волноводных структурах. Распределение энергетического потока в указанных структурах наиболее чувствительно к изменению значения толщины покровного слоя в диапазоне малых значений « .
-
На основе волнового подхода и решения граничной задачи получены точные дисперсионные уравнения для 4-слойных структур со ступенчатым и экспоненциальным профилями ДП основного направляющего слоя, а с помощьи лучевого формализма получены дисперсионные уравнения для 4-слойных градиентных скалярных волноводных структур с экспоненциальным и линейным профилями ДП. Несмотря на различие аналитических выражений дисперсионных соотношений, полученных на основе разных методов, их решения совпадают о высокой степенью точности. Пригодность дисперсионных уравнений, выведенных для линейного профиля ДП основного слоя, подтверждена експериментально.
-
Решена задача о распространении излучения в 4-слойном асимметричном ступенчатом поглощающем волноводе и найдены его волноводные характеристики. За счет подбора толщины поглощающего покровного слоя и достижения высокого затухания мод малых порядков в такой структуре возможна реализация одномодового режима распространения света.
-
Наличие частотной зависимости ДП одного из слоев многослойных волноводных структур приводит к аномалиям в поведении основных модовых характеристик, не имеющим места в аналогичных нерезонансных структурах. В 3-олойном волноводе с резонансной подложкой с увеличением модового порядка проявляется отклонение от линейности частотной зависимости действительной части константы распространения в длинноволновой области и на участке
— о -
вблизи оптического резонанса, а в непосредственной близости к резонансной частоте величина модового затухания может достигать очень малых значений (около 10"s см"1). В 4-олойной резонансной волноводной структуре существуют характерные частоты, на которых происходит изменение модового порядка, частотные интервалы с существенным и несущественным модовым затуханием, а также интервалы, где затухание ТЕ-моды превосходит затухание соответствующей ТМ-моды;
5. Термодиффузионное формирование профилей показателя преломления с целью управления модовыми характеристиками в ионообменных волноводах, осуществляемое путем поэтапных отжигов, приводит к нерегулярностям в распределении ДП. Последние обуславливают изменение величины оптических потерь мод различного порядка, вызванное особенностями кластерообразования ионов серебра в приповерхностном слое образца. Реализованные процессы диффузии и отжига протекают медленнее, чем предполагает теория.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на V Международном совещании - семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва, 1998), III всероссийской научно - технической конференции "Методы и средства измерения физических величин" (Нижний Новгород, 1998), Международной конференции "Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1999) и на научных семинарах в УлГУ.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объеи и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 158 страницах и содержит 42 рисунка. Библиографический список включает 148 наименований.
