Диссертация (1025280), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Столь высокое качество волноводных структур из профилированного сапфира позволяет минимизировать нежелательные потерии дисперсию, связанные с рассеянием терагерцового излучения на неоднородностях границ раздела. Более того, за счет изменения ориентации c-осисапфира относительно оптической оси волновода можно управлять его оптической анизотропией, создавая сохраняющие поляризацию волноводы илипреобразователи поляризации излучения.В сотрудничестве с Институтом физики твердого тела Российской академии наук, г. Черноголовка, Россия (ИФТТ РАН) при участии автора была проведена серия ростовых экспериментов с использованием метода Степанова, в результате чего был впервые выращен сапфировый терагерцовыйфотонно-кристаллический волновод.
На Рис. 3.9 показан процесс роста профилированного кристалла. Технологическая установка использует индукционную печь с молибденовым тиглем для плавки исходного сырья ҫ кристаллаВернея. Многоканальный кристалл вытягивается из тонкой пленки расплаваAl2 O3 , сформированной на поверхности молибденового формообразователя ватмосфере Ar при температуре 2053 ∘ С и давлении 1, 1...1, 3 атм, при этомскорость роста достигает 40...60 мм/час. Для инициализации процесса роста121ЗщЗяМфФцКцяММфРAl2O3МРис. 3.9. Изготовление многоканального профилированного кристалла сапфира по методу Степановаиспользуется сапфировая игла-затравка с c-осью ориентированной в направлении оптической оси волновода.
Расплав Al2 O3 поднимается на поверхностьмолибденовой формы к фронту кристаллизации через капиллярный каналшириной в 0, 25 мм. Форма кристалла определяется геометрией поверхностимолибденового формообразователя [323ҫ325]. Для прецизионного контроляпроцесса роста профилированного кристалла используется автоматическаясистема на базе датчика веса [322].Описанная установка использовалась для изготовления образца многоканального сапфирового кристалла длиной 300 мм и диаметром 12 мм.Кристалл имеет семь цилиндрических полых каналов диаметром 2, 5 мм,формирующих в сечении простую двумерную гексагональную фотоннокристаллическую решетку с периодом 3 мм. Отметим, что структурыобразца полностью соответствует выбранной в результате вычислительныхэкспериментов (Рис.
3.8). Образец волновода был разрезан на фрагментыразличной длины для экспериментального исследования распространенияв нем терагерцового излучения. Фотографии сапфирового фотоннокристаллического волновода длиной 150 мм и его сечения представлены на122Рис. 3.10.Экспериментальное исследование распространения терагерцовогоизлучения в сапфировом фотонно-кристаллическом волноводеДля экспериментального исследования распространения терагерцового излучения в образце сапфирового фотонно-кристаллического волновода применялись методы терагерцовой импульсной спектроскопии. Импульсная спектроскопия широко используется для изучения механизмов распространения терагерцового излучения сквозь волноводы различной природы[290, 296, 314, 319] благодаря возможности одновременного извлечения спектров амплитуд и фаз из временного сигнала спектрометра [338].
Принципиальная схема экспериментальной установки показана на Рис. 3.11. Экспериментальная установка позволяет охарактеризовывать терагерцовые волноводы за счет анализа параметров проходящего через них излучения в спектральном диапазоне от 0, 1 до 1, 6 ТГц с разрешением 0, 05 ТГц.В схеме установки терагерцовая линза из TPX с числовой апертуройN A = 0, 20 используется для фокусировки терагерцового пучка на входномторце волновода, а именно ҫ на центральном канале.
Эквивалентная линзарасположена позади волновода для коллимации терагерцового пучка, покидающего волновод. Первая линза жестко зафиксирована, а вторая расположена на рельсе и способна передвигаться вдоль оси терагерцового пучка,(ɚ)(ɛ)5 mmРис. 3.10. Сапфировый фотонно-кристаллический волновод (а) иизображение его торца (б)123позволяя адаптировать измерительную кювету спектрометра под фагментыволновода различной длины [310].
Для исключения влияния держателя волновода на структуру мод исследуемый образец фиксируется за внешнюю цилиндрическую поверхность в непосредственной близости от входной и выходной граней.В ходе эксперимента измерялись терагерцовые сигналы, прошедшиесквозь образцы волноводов различной длины ҫ 20, 25, 30, 35 и 40 мм. Максимальная длина образца волновода ограничивается габаритами измерительнойкюветы спектрометра. На Рис. 3.12 показаны примеры трех сигналов E (t),прошедших сквозь волноводы различной длины l при идентичных входныхсигналах, а также их фурье-спектры︀ (ν) =E︁+∞E (t) e−i2πνt dt.(3.9)−∞Для повышения отношения сигнала к шуму выполнялось усреднение совощ50 М,780(0,2 ,, 100 )ПуччЗf1П ля ацв л лПКlПЭλ/4ПZnSeПыучf2КРис. 3.11. Схема экспериментальной установки для исследованиятерагерцовых фотонно-кристаллических волноводов наоснове профилированных кристаллов сапфира124купности реализаций сигнала спектрометра, а результирующий уровень шумов отмечен на Рис.
3.12 (б) прямой линией. С ростом l наблюдается трансформация терагерцового импульса. Существенное подавление терагерцовыхспектральных компонент наблюдается в области низких частот (ν < 1.0 ТГц),при этом в области высоких частот (ν > 1.0 ТГц) потери минимальны.Несмотря на то, что электромагнитное поле преимущественно локализовано в центральном канале фотонно-кристаллической структуры(Рис. 3.8 (в)), рассмотренный волновод функционирует именно как фотоннокристаллический, а не как простое полый волновод со ступенчатым изменением показателем преломления. Для ступенчатых одномодовых волноводов сдиаметром сердцевины d ≤ 10λ, прирост длительности импульса вследствиеволноводной дисперсии может быть описан простым соотношениемτ≃n1 − n2l,c(3.10)где c ҫ скорость света в свободном пространстве, n1 и n2 ҫ показатели преломления сердцевины и оболочки, а l ҫ длина волновода.
Рассматривая волновод, эквивалентный одному центральному каналу многоканальной сапфи102l = 30 мм....0l = 35 мм101100~E,E,0l = 40 мм0Ур ве ь шу( )0510t,1520( )0,20,40,6в.0,81,01,21,41,6ν, ТГцРис. 3.12. Экспериментальные исследования распространениятерагерцового импульса в фрагментах сапфировогофотонно-кристаллического волновода различной длиныl = 30, 35 и 40 мм: (а) и (б) ҫ сигналы спектрометра E (t)︀ (ν)и их фурье-спектры E125ровой структуры и имеющий длину в 20...40 мм, можно показать, что уширение терагерцового импульса составит 135...270 пс, что хорошо согласуетсяс экспериментальными данными работы [326]. В экспериментальных данныхРис.
3.12 (а) наблюдается пренебрежимо малая дисперсия для всех рассмотренных длин волновода, подтверждая тот факт, что распространение терагерцового импульса сквозь волновод связано с резонансным взаимодействиемизлучения с фотонно-кристаллической структурой и характеризуется низкойдисперсией.Для обработки экспериментальных данных (Рис. 3.12) и восстановленияспектральной зависимости эффективного индекса моды, neff , и спектральных потерь, α, использовались известные процедуры, подробно описанныев работах [311, 314, 317].
Для учета влияния межмодовой интерференции ифлуктуаций потерь ввода и вывода терагерцового излучения проводилисьпятьдесят независимых измерений прохождения импульса через набор волноводов различной длины и последующий статистический анализ экспериментальных данных.
Результаты анализа экспериментальных данных приведены на Рис. 3.13 (а) и (б). Спектрально-неоднородные погрешности измерений соответствуют доверительному интервалу 3σ, где σ ҫ СКО, учитывающеенестабильности, вызванные шумами в сигналах спектрометра, межмодовымбиением и другими факторами. Спектральная ошибка измерений минимальна в области прозрачности волновода (около 1, 45 ТГц) и возрастает в области низких (ν < 1, 2 ТГц) и высоких (ν > 1, 5 ТГц) частот из-за растущегоспектрального коэффициента экстинкции и снижения спектральной чувствительности импульсной системы, соответственно.Результаты экспериментальных исследований представлены наРис.
3.13 в виде спектральных зависимостей (а) эффективного индекса модыneff и (б) коэффициента экстинкции интенсивности терагерцового излученияα. На экспериментальный график коэффициента экстинкции наложены теоретические зависимости, полученные для различных мод в ходе численногомоделирования. Результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические предсказания (Рис. 3.8). Исключение составляют узкиеспектральные области на стыках мод, для которых теория предсказываетсуществование пиков возрастающего поглощения.
Эти пики не наблюдаютсяна экспериментальных данных, что может быть вызвано рядом факторов,126neff1,00( )0,99Эе и еneffαСи яцииαAαB&CαD&EαF&GαH&IαJ&K0,981,0α, дБ/см0,80,60,40,20,0( )0,91,01,11,21,31,41,5ν, ТГцРис. 3.13. Экспериментальные исследования распространениятерагерцового излучения в сапфировом фотоннокристаллическом волноводах: (a) и (b) ҫ эффективный индекс моды neff и спектральный коэффициентэкстинкции интенсивности излучения α.
Экспериментальная кривая потерь α согласуется с теоретическимипредсказаниями αi (Рис. 3.8 (а))включая (i) конечное спектральное разрешение терагерцовой импульснойсистемы; (ii) незначительные флуктуации геометрических параметров сечения волновода по длине; (iii) неучтенные эффекты двулучепреломлениядля радиальной компоненты волнового вектора в волноводе [273]; а также(iv) эффект межмодовой интерференции, препятствующим аккуратнойхарактеризации волновода [332].
Тем не менее, данное отличие не являетсяпринципиальным. Более того, отсутствие резких пиков поглощения позволяет эффективнее передавать импульсное терагерцовое излучение черезсапфировый фотонно-кристаллический волновод.Для волновода, рассмотренного в настоящей работе наблюдается минимальная дисперсия в области частот от 1, 0 до 1, 55 ТГц и низкий коэффициент экстинкции, достигающий 2 дБ/м на частоте 1, 45 ТГц.
Данноезначение коэффициента экстинкции существенно меньше в сравнении с имеющимися на данный момент результатами, продемонстрированными в работах [291ҫ294]. Низкое поглощение является следствием, с одной стороны,127низкого поглощения терагерцового излучения сапфиром, с другой стороны,высоким качеством фотонно-кристаллической структуры, обеспеченным методом роста профилированных кристаллов Степанова. Суммарные потери наввод и вывод излучения имеют спектрально неоднородный характер и среднюю по спектру величину в 10...15 дБ.Теоретические и экспериментальные результаты настоящей работы показывают перспективность предложенного подхода к изготовления терагерцовых фотонно-кристаллических волноводов, сочетающего (i) возможностьуправления волноводной дисперсией с помощью фотонно-кристаллическойструктуры, (ii) преимущества сапфира (низкое поглощение терагерцовогоизлучения, устойчивость к термическим, химическим и радиационным воздействиям), а также (iii) возможности производства высококачественныхфотонно-кристаллических структур с помощью метода Степанова.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
