Ф отоника и инновации часть 2

1. Фотоника и инновациичасть 2 Анатолий Петрович Сухоруков МГУим. М.В. Ломоносова

2. Фотоника это одна из наиболее важных ключевых технологий 21-го столетия. Она оказывает влияние на все стороны нашей жизни. Промышленная фотоника играет жизненно важную роль в сохранении лидирующих позиций в таких областях, как информатика и связь, источники света, безопасность, наука о жизни и здоровье. • Фотоника является двигателем технологических инноваций и служит огромным рычагом для создания продуктов, которые многократно увеличивают ценность исходных компонент и технологий фотоники. • Благодаря внедрению фотонных технологий мы уже получаем выигрыш от сближения индустриального общества с информационным обществом и динамику роста вследствие их взаимодействия. Лидирующая роль фотоники в 21 веке

3. 1887 1987 Фотонные кристаллы Периодическая электромагнитная среда В области частотной щели фотонный кристалл ведет себя как «оптический изолятор»

4. диэлектрические сферы, алмазная решетка энергия фотона Частота волны волновой вектор Электронные и фотонные кристаллы атомыв структуре алмаза Периодическая среда Блоховские волны: Диаграмма полос энергия электрона волновой вектор interacting: hard problem non-interacting: easy problem

5. Умышленно сделанные“дефекты” дают полезные эффекты микроволноводы (“проволоки”) микрорезонаторы

6. (Same computation, with supercell = many primitive cells) Внедренные “дефекты” in 2-мерных кристаллах

7. Распространение света в фотонных кристаллах с дефектами Можно получить много интерсных устройств

8. Создание фотонных кристаллов из блоков Точечные дефекты (резонаторы) Линейные дефекты (волноводы)

9. Волноводные моды с меньшим показателем преломления

10. Сверх-дефектная структура De = –3, Qrad = 13,000 Ez (сверхдефект) still ~localized: In-plane Q|| is > 50,000 for only 4 bulk periods

11. (in hole slabs, too)

12. ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ОТТАЛКИВАНИЯ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ И.В. Кабакова Кафедра радиофизики Физический факультет МГУ им. Ломоносова

13. ПРОБЛЕМА: Создание высокоскоростных оптических переключателей для телекоммуникационных систем. Повышение частоты переключения доТГц.

14. СУЩЕСТВУЮЩИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ Оптические переключатели, основанные на распространении и взаимодействии солитонов в нелинейной среде • Недостатки: • Необходима высокая мощность излучения ~ ГВт/см2 для генерации солитонов; • Необходим строгий контроль фазовых соотношений и отношения «амплитуда-ширина» солитонов; • Солитоны часто неустойчивы в объемных материалах.

15. НОВАЯ ИДЕЯ: Оптические переключатели, основанные на эффекте отражения оптических пучков в дефокусирующей нелинейной среде Нелинейные среды:фоторефрактивные кристаллы, среды с тепловой нелинейностью, кубичные и квадратично-нелинейные среды Принцип действия: Мощный оптический пучок формирует эффективную неоднородность показателя преломления, которая является своеобразным зеркалом в среде. При определенных начальных условиях второй сигнальный пучок отражается от созданной накачкой неоднородности – осуществляется пространственное переключение сигнала. • Преимущества нового метода: • уменьшение на порядки необходимой мощности пучков, • фазовая нечувствительность, • перестраиваемость

16. Создание индуцированной неоднородности показателя преломления Фоторефрактивные кристаллы: Материалы с тепловой нелинейностью: Каскадное взаимодействие в квадратично-нелинейной среде:

17. Траектория движения сигнала в неоднородной среде • Отражение реализуется при: • начальных углах меньших критического • прицельных расстояниях меньших начального расстояния между пучками

18. Численные оценки параметров отражения Для LiNbO3: - интенсивность поля накачки Глубина модуляции показателя преломления и критический угол:

19. rays at shallow angles > qc are totally reflected Snell’s Law: ni sinqi = no sinqo qi qo Полное внутреннее отражение no ni > no sinqc = no / ni < 1, so qc is real i.e. TIR can only guide within higher index unlike a band gap

20. Дефокусирующая тепловая нелинейность Нелокальность нелинейного отклика: профиль неоднородности не повторяет распределение интенсивности накачки, а определяется граничными условиями.

21. Нелинейное отражение от тепловой неоднородности P1 – мощность накачки d – расстояние между пучками

22. Мощный пучок накачки Слабый сигнальный пучок Трёхволновое взаимодействие в квадратично-нелинейной среде Уравнения для медленно меняющихся амплитудволновых пучков: Уголнаклона - расстройка определяется углом наклона сигнала

23. Каскадное взаимодействие Амплитуда волны на суммарной частоте: Профиль индуцированной неоднородности повторяет распределение интенсивности накачки. Соотношение для предельного угла отражения:

24. Изображение взаимодействующих пучков Обмен энергией между пучками Моделирование явления параметрического отражения

25. Параметрический волновод • Слабый сигнальный пучок распространяется между двумя пучками накачки, поочередно отражаясь от них. • Длина волновода ограничена дифракционным расплыванием пучков накачки.

26. Оценки параметров среды и пучков

27. Общий результат исследования: • Разработан новый метод высокоскоростного оптического • переключения на основе эффекта отражения пучков в • нелинейных дефокусирующих средах (фоторефрактивной, тепловых и квадратично-нелинейных). • Частота переключения устройств нового типа может достигать ТГц • Направления дальнейших исследований: • дальнейшее уменьшение необходимой мощности пучков • расширение углового диапазона • увеличение гибкости управления • (дополнительная фокусировка накачки, • создание периодической структуры на частоте накачки)

28. КАСКАДНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕТОК В КВАДРАТИЧНОЙ СРЕДЕ А.К. Сухорукова, А.П. Сухоруков, В.Е. Лобанов Московский государственный университет Физический факультет

29. Основные положения доклада • Неколлинеарное несинхронное трехчастотное взаимодействие волновых пучков • Индуцированная неоднородность среды • Формирование несолитонной решетки • Дискретная дифракция сигнального пучка • Захват сигнальной волны в волновод • Исследование и сравнение планарных и пространственных решеток

30. Основные уравнения

31. Граничные условия

32. Дискретная дифракция и волноводное распространение сигнального пучка

33. Наклонный пучок сигнала

34. Формирование двумерной решетки волнами накачки

35. Сигнал на выходе двумерной решетки

36. Распространение сигнала в двумерной решетке (анимация)

37. Заключение • Рассмотрена каскадная генерация оптических периодических решеток. • При численном моделировании наблюдалась дискретная дифракция. • При увеличении глубины модуляции решетки сигнальный пучок захватывался в волновод.

38. Одна из основных задач магнитной фотоники • Получить материал: • большой угол Фарадея (45°) • большой коэффициент прохождения (>20%) Пути решения • Поиск материалов с большим значением гирации (удельного угла Фарадея) • BiYIG; CdMnTe; … • Поиск нано и микро-структур, в которых МО эффекты усиливаются

39. Магнитные фотонные кристаллы Немагнитные коллоидные сферы + полости N – SiO2 M – магнитные жидкости N – GGG, SiO2 M – Bi-YIG

40. Магнитные фотонные кристаллы H. Kato, J.Appl.Phys. 93, 3906 (2003)

41. Магнитный фотонный кристалл Влияние намагниченности на положение дефектных мод 100 80 60 40 20 0 g=0 g=0.009 Коэффициент прохождения, %  1,5490 1,5494 1,5498 1,5502 1,5506 1,5510 Длина волны, мкм  линейно по g, т.е. по намагниченности

42. Магнитный фотонный кристалл Управление поляризацией и пропусканием при наклонном падении путем изменения намагниченности • Несовпадение резонансов s- и p-волн • Зависимость положения резонансов от намагниченности Коэффициент прохождения, % • g = 0 • g = 0,01 • g = 0,03 • g = 0,05 Длина волны, мкм

43. Перфорированные метало -диэлектрические пленки Металл – Au (h=68 нм, d=750 нм, r=394нм) Диэлектрик – BiYIG (h=117.6 нм) =965 nm g=0.01 Оптическое прохождение Т=39% Оптическая эффективность = 1.4 Угол Фарадея = 0.76° Усиление Фарадея в 9 раз V.I. Belotelov, L.L. Doskolovich, A.K. Zvezdin, Physical Review Letters 98, 77401 (2007).

45. Металлические пленки Малое прохождение Большой угол Фарадея Большое прохождение Малый угол Фарадея Прозрачные магнитные пленки Перфорированные магнитные пленки Большое прохождение Большой угол Фарадея Наноструктурирование материала

46. Si ri Спин-тороидное упорядочение Тороидный момент Управление внешним полем за счет изменения намагниченности • Тороидные среды: • мультиферроики (GaFeO3) • антиферромагнетики (Cr2O3) b – безразмерная постоянная, зависит от тороидного момента Модуляция интенсивности волны: • Коэффициент прохождения через слой зависит от тороидного момента: • Изменение коэффициента отражения при изменении направления тороидного момента на противоположное: А.Н. Калиш, В.И. Белотелов, А.К. Звездин, Распространениеэлектромагнитныхволнпомагнитнымсредам, обладающимтороиднымупорядочением, IV Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2007»

47. МГУ им. М.В. Ломоносова ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА РАДИОФИЗИКИ НЦВО РАН СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ, АКТИВИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ Л.И. Булатов1, В.В. Двойрин2, В.М. Машинский2, А.П. Сухоруков1 1Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, 119992 Москва, Воробьевы Горы, e–mail: lenar@fo.gpi.ru 2Научный центр волоконной оптики, Российская Академия наук, 119333 Москва, ул. Вавилова, 38

48. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) в 2025 году • Рост IP трафика в 2005 - 2006 годах составил 115%. • Рост количества проложенных ВОЛС к 2025 году до 1 млрд км. • Программы FTTH. • Реалистичная оценка: • к 2025г. – 1 PBit/s или 100 THz. • E. Desurvire, Optical сommunications in 2025, in Proc.31st ECOC, Glasgow, Scotland, paper Mo 2.1.3 (2005). • Жизненно необходимо освоение новых спектральных диапазонов, в первую очередь второго телекоммуникационного окна прозрачности (O-band).

49. Спектральный диапазон генерации лазеров на основе световодов с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов • А.С. Курков, Е.М. Дианов, Непрерывные волоконные лазеры средней мощности. – Квантовая электроника, 34, №10 (2004), стр. 881 – 900.

50. Параметры волоконных световодов, активированных висмутом * Предел чувствительности метода рентгеновского микроанализапо висмуту 0.02 ат.%.