Волноводные свойства гибридных направляющих структур на основе нанокомпозитных сред в ближнем и среднем ИК-диапазонах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Паняев Иван Сергеевич

• Паняев Иван Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Волноводные свойства гибридных направляющих структур на основе нанокомпозитных сред в ближнем и среднем ИК-диапазонах»

Цель работы - теоретическое исследование распространения поверхностных

поляритонов на границе раздела «нелинейный полупроводник - НКС», а также анализ волноводных режимов в гибридных планарных структурах на основе НКС в ближнем и среднем ИК-диапазонах длин волн.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ условий существования поверхностных ТМ-поляритонов на границе раздела «полупроводник - НКС» с учётом кубической нелинейности полупроводника в «одноосном» и «двуосном» приближениях, учитывающих соответственно одну и две компоненты тензора нелинейной восприимчивости, в среднем ИК-диапазоне длин волн.

2. Численный расчёт полевых и энергетических зависимостей для ПП ТМ-типа в системе «полупроводник - НКС» с учётом нелинейности полупроводника керровского типа в «одноосном» и «двуосном» подходах.

3. Изучение особенностей волноводных режимов распространения собственных волн ТМ- и ТЕ-поляризации в четырёхслойной направляющей структуре на основе НКС в ближнем ИК-диапазоне длин волн.

4. Исследование влияния геометрических параметров НКС на оптические дисперсионные характеристики НКС и четырёхслойного волновода на основе НКС в длинноволновом приближении.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории длинноволнового приближения, модели Друде, а также теории оптических планарных волноводов. Обработка полученных результатов исследований производилась при помощи методов математического моделирования в программной среде Wolfram Mathematica.

Научная новизна:

1. Получено новое дисперсионное соотношение, описывающее распространение поверхностных ТМ-поляритонов на границе раздела «полупроводник - НКС» с учётом керровской нелинейности полупроводника в среднем ИК-диапазоне.

2. С помощью компьютерного моделирования впервые проведены исследование и сравнительный анализ режимов распространения и энергетических характеристик ПП ТМ-типа в системе, указанной в п. 1, описываемых в рамках «одноосной» и «двуосной» моделей для нелинейной части тензора ДП полупроводника.

3. Впервые получено и проанализировано дисперсионное соотношение, описывающее распространение собственных волн в гибридном четырёхслойном оптическом волноводе на основе НКС, с учётом бигиротропии магнитного слоя, а также геометрических параметров слоя НКС в ближнем ИК-диапазоне длин волн.

4. Теоретически исследованы режимы распространения электромагнитных волн (ЭМВ) в четырёхслойном гибридном волноводе на основе НКС. Предложен пространственно-поляризационный делитель на основе четырёхслойного гибридного волновода, отличающийся тем, что пространственное разделение ортогонально поляризованных мод волновода осуществляется за счёт анизотропии НКС, обусловленной особенностями наноструктурирования.

Объект исследования - гибридные направляющие структуры на основе нанокомпозитных сред.

Предмет исследования - влияние геометрических и оптических характеристик НКС на волноводные режимы распространения и дисперсионные свойства поверхностных поляритонов в структурах на основе НКС.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Решения дисперсионного уравнения (ДУ) для поверхностных поляритонов ТМ-поляризации в структуре «нелинейный полупроводник (пЛ^Ь) -НКС», в которой НКС составляют чередующиеся слои висмутсодержащего феррит-граната (BLIG, Lu3-xBixFe5-yGayO12) и гадолиний-галлиевого граната (ГГГ, Gd3Ga5O12), в среднем ИК-диапазоне (5 - 20 мкм), полученные с помощью «двуосной» модели описания нелинейного

отклика полупроводника, разделяются на две пары низко- и высокочастотных ветвей. При этом в отличие от «одноосной» модели поверхностные волны поляритонного типа возникают даже при положительных значениях диэлектрической постоянной обеих сред на частотах выше плазменной для полупроводника.

2. В рамках «двуосной» модели для 1111 ТМ-типа в системе «нелинейный полупроводник (п-1п8Ь) - НКС (BLIG/ГГГ)» солитоноподобные профили распределения продольной компоненты электрического поля могут существовать в высокочастотной области [вблизи коротковолновой границы среднего ИК-диапазона (5 мкм)], тогда как в рамках «одноосной» модели область существования ПП с солитоноподобными профилями ограничена низкочастотным участком (10^20 мкм) исследуемого диапазона длин волн.

3. В четырёхслойном магнитооптическом гибридном волноводе, состоящем из слоя железо-иттриевого граната (У3Бе5012, ЖИГ), НКС на основе слоев диоксида титана (ТЮ2) и ГГГ, подложки из диоксида кремния (БЮ2) и покровной среды, в качестве которой выступает вакуум, благодаря наличию НКС, может реализовываться режим поляризационной фильтрации волноводных ТЕ- и ТМ-мод, управляемый путём подстройки длины волны и толщины слоёв, составляющих НКС и слоя ЖИГ. Данный режим подразумевает возникновение отсечки, при которой волноводные моды ТЕ- или ТМ-поляризации одного из двух волноводных слоёв становятся модами подложки, либо модами покровного слоя.

4. При фиксированных длине волны и толщинах слоёв четырёхслойного гибридного волновода возможно установление режима пространственного разделения собственных волн ортогональных поляризаций, при котором эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод в выходных каналах четырёхслойного магнитооптического гибридного волновода на основе НКС, может достигать 18 дБ для ТЕ-волн и не менее 19 дБ для ТМ-волн.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечена применением широко известных методик и приближений. При моделировании были использованы значения материальных параметров, полученных из экспериментов.

Практическая значимость работы.

1. Результаты исследования пространственных распределений полей и плотности потока энергии поверхностных плазмон-поляритонов на границе раздела «нелинейный полупроводник - нанокомпозит», которые могут быть применены на практике для управления параметрами поверхностной волны, т.е. степенью локализации, групповой скоростью, а также областью существования, за счёт изменения интенсивности накачки, либо длины волны (А-подстройки).

2. Результаты исследования волноводных режимов распространения ЭМВ в планарных структурах на основе НКС, позволяющие осуществить поляризационную фильтрацию с высокой степенью добротности, а также реализовать оптическую логическую ячейку со значением логического состояния, зависящим от длины волны, либо от типа линейной поляризации излучения.

3. Результаты анализа волновых особенностей планарных структур, содержащих слои НКС, которые позволяют создать поляризационные делители, оптические переключатели и поляризационно-чувствительные датчики, функционирующие в ближнем и среднем ИК-диапазонах длин волн.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, основных выводов и заключения. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста с 19 рисунками и 3 таблицами, библиография включает 146 наименований.