Диссертация (1091554), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Такие лазеры могутработать не только как обычные источники излучения, но также в качествеустройств с управляемым сдвигом частоты при прохождении через резонатор.29В разработке комплексных нелинейно-оптических устройств также былдостигнут значительный прогресс.
В частности, получилиразвитиеоптические преобразователи длин волн. Общей особенностью таких устройствявляется использование волноводов, расположенных в подложке НЛ,обладающих высоким нелинейным коэффициентом и обеспечивающихквазисинхронизм.Из-за эффективного удержания оптических полей в узком каналеволновода, интенсивность оптического излучения почти постоянна вдольдлины взаимодействия волновода на расстояниях в 20см. В результате,преобразование длины волны является высокоэффективной, и на несколькопорядков величины больше, чем для объемных оптических устройств.Основнымиустройствамивданномнаправленииявляютсяперестраиваемые интегральные оптические параметрические генераторы иоптические параметрические осцилляторы, позволяющие генерироватьинфракрасное излучение в диапазоне 2,7-3,5 мкм [76].
Основное назначениетаких приборов – спектроскопические приложения для анализа газовых сред.В общем случае оптический параметрический генератор состоит изодного оптического канала в НЛ, который накачивают мощным оптическимизлучением. При этом длина волны накачки примерно в 2 раза меньше, чемдлина волны излучения, которое будет генерироваться. В результате, длинаволны сгенерированного сигнала напрямую зависит от длины волны накачки,и, следовательно, может быть легко настроена. Например, путем изменениядлиныволнынакачкивдиапазоне1.54-1.58мкмвустройстве,представляющем собой кристалл НЛ с доменными решетками с периодом31,44мкм, возможна перестройка длины волны в диапазоне 2,8-3,4 мкм.Спектральная ширина такого сгенерированного излучения составляет около10нм. При малой мощности накачки, эффективность преобразования воптических параметрических генераторах крайне мала.30Тем не менее, она резко возрастает при уровнях мощности,превышающих 1Вт и теоретически приближается к 50-ти процентномубарьеру при накачке в 150Вт, что связано с сильным обеднением накачки.Экспериментальные результаты показывают меньшую эффективность, чтопрежде всего связано с неоднородностями и дефектами в доменных решетках.Недавниеэффективныхисследованияинтегриральныхпривеликоптическихпоявлениюустройствразнообразныхдляобработкисверхбыстрых оптических сигналов в диапазоне длин волн 1,5 мкм.Используя квазисинхронные нелинейно-оптические взаимодействиявторого порядка в волноводах НЛ, возможно получить такие эффекты, какпреобразование длины волны, компенсации дисперсии, параметрическоеусиление, селективное по длинам волн временное мультиплексирование,фазовое и поляризационное переключение, а также пространственноепереключение, что открывает широкие возможности для применения НЛ воптической связи [77].Для разработки эффективных волновых преобразователей используетсяодновременно большое количество эффектов, таких как генерация второйгармоники, генерация разностной частоты, генерации суммарной частоты и ихкаскадное усиление.Например, на рисунке 8 приведена схема волоконно-оптическойподсистемы с волноводным каналом НЛ в качестве основного компонента,осуществляющегополяризационно-независимыепреобразованиядлиныволны используя эффекты второй гармоники и генерации разностной частоты.Это устройство является ключевым компонентом, осуществляющемусилениесигналаикомпенсированиехроматическуюдисперсиюинелинейные паразитные эффекты, в 22 канальном устройстве передачеданных, обладающего скоростью передачи 21,4 Гбит/с на канал ипозволяющем осуществлять передачу данных более чем на 10000км [78].31Схематическое изображение волнового преобразователя наоснове НЛ [78].1.2.2.
Методики получения доменных структур ниобата литияВ настоящее время существует большое количество разных методик длясоздания доменных структур в объёме кристаллов НЛ. При комнатнойтемпературе LiNbO3 относится к пространственной нецентросимметричнойгруппе R3c (3m). Этот сегнетоэлектрический кристалл обладает спонтаннойполяризацией,вызваннойсмещениемLi+иNb5+катионоввдолькристаллографической оси, что приводит к возникновению 180-градусныхантипараллельных доменов, которые могут быть переключены путемприложения соответствующего внешнего электрического поля.Дляэффективногоиспользованиянелинейныхэффектовпреобразования частоты, фазы взаимодействующих волн могут бытьсинхронизированы в кристалле НЛ с помощью процесса квазисинхронизма[8].
Для этого необходимо создать периодические сегнетоэлектрическиедоменные структуры, противоположные по направлению поляризации, дляизменения знака нелинейной восприимчивости.32Стандартнымметодом,используемымвсегнетоэлектрическойдоменной инженерии, является приложение внешнего электрического поляпри помощи регулярно расположенных металлических электродов наповерхности обрабатываемого кристалла [9,10].При этом пространственное модулированное электрическое полеприкладывается вдоль полярной оси кристалла [11]. Данный метод включаетв себя процесс фотолитографии при котором создаются периодическиеэлектроды и далее на них подаются последовательности импульсов высокогонапряжения для переключения сегнетоэлектрического домена.
Помимосложностивисполнении,кристаллографическойориентацииданныйиметодобычночувствителентребуеткиспользованияэлектродов сложной конструкции и задействования процесса травления [12].Еще одной проблемой является эффект слияния доменов, не позволяющийконтролировать ширину доменных структур [13]. Другим препятствиемявляется эффект обратного переключения, который особенно ощутим на приэлектродных областях [14]. Помимо этого, высокое значение коэрцитивногополя и негативное влияние распространения доменов за приэлектродныеобласти также создают проблемы в создании упорядоченных микродоменныхструктур [15].Для создания упорядоченных сегнетоэлектрических доменов такжеиспользуют и ряд других альтернативных методик.
В частности, возможноиспользование оптического механизма переключения, при котором мощноелазерное излучение приводит к инвертированию доменов [16].Такой подход обладает рядом определенных преимуществ. Например,онпозволяетпреодолетьограничение,заключающеесявтом,чтоэлектрическое поле должно быть направлено вдоль полярной оси кристалла.Кроме того, оптическое излучение позволяет точно управлять размерами иположением доменов с разрешением, ограниченным дифракционнымпределом.33Для этих целей, как правило, используется УФ-излучение, так каксегнетоэлектрики обладают большим показателем поглощения в этой области.Тем не менее, такое сильное поглощение света в УФ диапазоне позволяетсоздавать доменные структуры только в приповерхностном слое кристалла(несколько сотен нанометров).
Этот факт существенно ограничиваетприменение данного метода, поэтому его не используют для созданияпараметрических генераторов света.Существует еще один альтернативный метод получения упорядоченныхдоменных структур в кристаллах ниобата лития – это метод электроннолучевого экспонирования. Данный метод привлекателен для изготовленияпериодических доменов в суб-микронном масштабе [17,18] и такжеиспользуется в большом количестве других приложений [19–22].В данном методе поле, которое переключает спонтанную поляризацию,возникает из-за скопления отрицательных зарядов в некоторой локальнойобласти поверхности [22]. Создание доменных структур при этом возможнокак в полярных [21,23,24], так и в неполярных [19] кристаллах НЛ.Потенциальные возможности записи с помощью электронно-лучевогоэкспонирования открывают новые перспективы для создания двумерныхнелинейных фотонных кристаллов.1.3.
Выводы по главе 1В первой главе диссертационной работы показано, что самымраспространённым и хорошо изученным ДПМ для нужд микроэлектроникиявляется MoS2. Данный материал обладает свойствами, позволяющими на егооснове создать целый ряд приборов и устройств.Хотя монослои MoS2 могут быть получены методом химическойэксфолиации или с помощью методики ХОГФ, качество «кристаллитов»,представляющих собой монослои ДПМ, полученных методом механической34эксфолиации, остается более высоким. Как упоминалось выше, монослоиMoS2 являются наиболее изученными, однако целый ряд проблем остаётсянеисследованным. Среди них – влияние политипизма на эффективностьгенерации ВГ, особенностей краевых эффектов в генерации ВГ и процессыусиления сигнала ВГ в интерфейсе подложка-ДПМ.На основе ряда работ обобщены принципы создания упорядоченныхдоменов в кристаллах НЛ.
Показано, что для создания микродоменныхструктур самым распространенным и перспективным методом является методоблучения электронным пучком. Представлены приборы и устройстваинтегральной оптики, использующие в своей основе НЛ. Описаны основныеметодики исследования объёмных свойств доменных структур НЛ.35ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ2.1. Генерация второй оптической гармоникиЯвления, наблюдаемые в результате изменения оптических константвещества под действием света описывает нелинейная оптика. Как правило,изменениеоптическихконстантвозможнотолькопридостаточноинтенсивном лазерном излучении, поэтому данный раздел физической оптикиберет начало после разработки первых лазерных установок.
«Нелинейность» внелинейной оптике заключается в том, что реакция вещества на приложенноеоптическое поле нелинейным образом зависит от силы светового поля. Однимиз основополагающих явлений нелинейной оптики является генерацияоптической второй гармоники (ВГ).Генерация второй гармоники представляет собой явление, при которомза счет нелинейного взаимодействия между падающей электромагнитнойволной (лазерной накачкой) и веществом происходит генерация когерентногоизлучения на удвоенной частоте.
Интенсивность генерации ВГ в простейшемслучае квадратично зависит от мощности приложенного оптического поля.Генерация ВГ чувствительна как к пространственной, так и временнойсимметрии. На этой особенности строится мощная экспериментальнаяметодика, позволяющая проводить исследования сегнетоэлектриков [79–81],магнетиков [82,83] и мультиферроиков [84–86].Для того, чтобы описать эффект оптической нелинейности, необходимоопределить зависимость удельного дипольный момента или поляризациисреды P (t ) от напряженности приложенного оптического поля E (t ) .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
