Сидоров_Основы фотоники_2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Сидоров А. И.

ОСНОВЫ ФОТОНИКИ: ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

В УСТРОЙСТВАХ ФОТОНИКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2014

1

А. И. Сидоров, «Основы фотоники: физические принципы и методы преобразования оптических сигналов в устройствах фотоники». Учебное пособие. СПб.: ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО», 2014 г. – 148 стр.

В учебном пособии описаны основы физические основы, принципы и методы управления оптическими сигналами в устройствах фотоники. Рассмотрены конкретные примеры нелинейно-оптических устройств, волноводных оптических переключателей и датчиков физических величин. Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям 200600 «Фотоника и оптоинформатика» и 200203 «Оптикоэлектронные приборы и системы» при изучении дисциплины «Основы фотоники».

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов и бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 200600 «Фотоника и оптоинформатика» и 200203 «Оптико-электронные приборы и системы».

Рецензенты: д. ф.-м. наук, профессор СПб ГПУ О.А. Подсвиров,

д. т. наук, профессор СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» В.П. Афанасьев

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена Программа развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики» на 2009–2018 годы.

© ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики», 2014.

© А.И. Сидоров, 2014.

2

4

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

с – скорость света в вакууме n – показатель преломления

n* – комплексный показатель преломления k, α – коэффициенты поглощения

R – коэффициент отражения

T – коэффициент пропускания

β – константа распространения

λ – длина волны

ω – круговая частота

k (k) – волновой вектор (волновое число) ε – диэлектрическая проницаемость

ε* – комплексная диэлектрическая проницаемость

χ – восприимчивость (поляризуемость)

е – заряд электрона

D - вектор электрической индукции

P – поляризация среды

E – напряженность электрического поля

H – напряженность магнитного поля

Eg – энергетическая ширина запрещенной зоны ИК – инфракрасный УФ – ультрафиолетовый

ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние ЧВС – четырехволновое смешение ВОСС – волоконно-оптическая система связи

5

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время лазерная техника широко используется в науке, промышленности, медицине, экологии и военном деле. Для большинства практических применений требуется лазерное излучение с заданными характеристиками: длиной волны, мощностью, длительностью импульса, диаграммой направленности и т.д. Поэтому важными задачами являются изучение физических принципов управления характеристиками оптических сигналов и создание устройств, позволяющих преобразовывать и модулировать излучение лазеров.

Оптические системы связи и обработки информации интенсивно развиваются на протяжении последних 20 лет. Это вызвано следующими преимуществами оптических устройств по сравнению с устройствами полупроводниковой электроники:

1.Высокое быстродействие. В полностью оптических устройствах управление сигналом может осуществляться за время менее 100 фс.

2.Высокая скорость передачи больших массивов информации. В настоящее время широко используются волоконные линии связи со скоростью передачи информации в одном канале 10-50 Гб/с. Ведутся разработки волоконно-оптических линий связи со скоростью передачи информации 500 Гб/с – 1 Тб/с.

3.Низкий уровень энергии управляющих сигналов. В современных оптических переключателях энергия управляющего сигнала может составлять 1-5 пДж.

4.Высокий уровень помехозащищенности и защищенности от несанкционированного доступа. Внешние электрические и магнитные поля и помехи не оказывают влияния на оптический сигнал, распространяющийся по волокну. Оптический сигнал в волокне недоступен для внешнего считывания без повреждения волокна.

Построение оптических линий связи и устройств обработки информации предполагает первичное преобразование электрического сигнала в оптический, передачу или обработку оптического сигнала и обратное преобразование оптического сигнала в электрический. Поэтому устройства управления оптическими сигналами являются важной составной частью волоконнооптических линий связи и интегрально-оптических приборов.

6

Оптические свойства наноразмерных объектов существенно отличаются от свойств микро- и макроскопических материалов. В наноразмерных структурах возникают квантово-размерные эффекты, плазмонные резонансы, люминесценция и др. Управление размером и формой таких объектов позволяет существенно изменять их оптические свойства. В фотонике востребованы как отдельные наноструктуры, так и композитные материалы на их основе. Исследованием оптических свойств наноструктур и созданием устройств на их основе занимаются новые научно-технические направления – нанофотоника и наноплазмоника.

В настоящее время во всех областях человеческой деятельности все интенсивнее начинают использоваться волоконно-оптические датчики и сенсоры. Такие датчики позволяют измерять большинство физических величин, определять химический состав сред, и обладают рядом преимуществ по сравнению с электронными датчиками. Поэтому важными задачами являются изучение эффектов, возникающих в оптических волноводах и волокнах при внешнем воздействии и разработка новых типов волоконных датчиков и сенсоров, обладающих высокой чувствительностью и избирательностью.

Цель данного учебного пособия – дать необходимые представления о физических принципах, используемых для управления оптическими сигналами, основных методах и устройствах управления излучением, а также об особенностях применения различных методов управления излучением в лазерной технике, оптических линиях связи, приборах интегральной оптики и волоконно-оптических датчиках.

7

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМИ СИГНАЛАМИ

1.1. Характеристики оптических сигналов

Управление сигналом предполагает изменение одной или нескольких его характеристик. Поэтому, необходимо предварительно определить, какими параметрами характеризуются оптические сигналы.

Тип оптического сигнала определяется его спектральным, временным и пространственным параметрами. По временному параметру оптические сигналы подразделяются на непрерывные, импульсные и импульснопериодические. В случае непрерывного сигнала его параметрами являются амплитуда, форма огибающей и частота модуляции. Импульсный и импульснопериодический сигнал характеризуется длительностью, амплитудой и частотой повторения импульсов, а также их формой. По пространственному параметру оптические сигналы подразделяются на узконаправленные сигналы (например, в оптическом волноводе) и сигналы, несущие пространственно-распределенную информацию (например - изображения).

Так как оптический сигнал является электромагнитной волной, то для его описания могут быть использованы все основные ее параметры:

-длина волны

-спектральный состав сигнала

-интенсивность (либо энергия оптического сигнала)

-фаза волны

-поляризация волны

-модовый состав (для электромагнитной волны в волноводе или оптическом резонаторе)

-степень когерентности

-длительность импульса

-временное положение импульса

-пространственные характеристики оптического сигнала.

Все эти параметры могут быть использованы в качестве объекта управления в устройствах фотоники и интегральной оптики.

8

1.2. Оптические характеристики материалов

Для управления оптическими сигналами используется изменение оптических свойств среды, в которой распространяется этот сигнал. В данном разделе приведены основные параметры, характеризующие оптические свойства среды. Классификацию оптических материалов по их оптическим свойствам иллюстрирует рис. 1.2.1. Необходимо отметить, что оптические свойства в сильной степени зависят от спектрального интервала, в котором они рассматриваются. Так, материал может быть прозрачным в одном спектральном интервале, и поглощающим в другом спектральном интервале. Например, кварц прозрачен в УФ и видимой областях спектра и имеет высокое поглощение в среднем ИК диапазоне. Ниже перечислены основные оптические характеристики оптических материалов с кратким их описанием.

Рис. 1.2.1. Классификация оптических материалов

Поляризация среды – изменение электрического дипольного момента единицы объема среды под действием внешнего электрического поля. Поляризация P связана с вектором электрической индукции D и вектором напряженности электрического поля E соотношением:

D= E + 4πP.

Вобщем случае поляризацию можно представить в виде:

P = χ(1)E + χ (2)E2 + χ (3)E3 + ...,

где χ – восприимчивость (поляризуемость). χ(1) является линейной восприимчивостью, χ(2), χ(3), … – нелинейные восприимчивости второго, третьего и т.д. порядков. Подробнее поляризация среды описана в п. 1.4.

Диэлектрическая проницаемость ε связывает векторы D и E соотношением:

D = εE.

9

Диэлектрическую проницаемость можно представить через линейную восприимчивость среды:

ε= 1 + 4π χ(1).

Впоглощающих или усиливающих средах диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной:

ε* = ε' + i ε''.

Действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости связаны между собой соотношениями Крамерса-Кронига:

Показатель преломления n характеризует фазовую скорость света V в среде относительно скорости света в вакууме c:

n = c/V.

Коэффициент поглощения k является характеристикой уменьшения амплитуды поля электромагнитной волны проходящей через поглощающую среду. В оптике используется также коэффициент поглощения α, связанный с k соотношением:

α = 4πk/λ [см-1].

Для поглощающих сред вводится комплексный показатель преломления: n* = n – ik.

Показатель преломления и коэффициент поглощения связаны с диэлектрической проницаемостью выражением:

ε* = n2 – k2 + 2ink.

Для описания нелинейно-оптических свойств среды используются также

нелинейный показатель преломления (Δn) и нелинейный коэффициент поглощения (Δk), зависящие от интенсивности излучения I. Оптические характеристики среды в этом случае описываются следующим образом:

n = n0 + n(I), k = k0 + k(I).

10