Гончаренко А.М., Карпенко В.А. Основы теории оптических волноводов Изд. 2

Содержание

Предисловие

С момента выхода данной монографии прошло 20 лет. Это был период больших успехов в изучении и использовании оптических методов и оптических систем передачи и обработки информации. Наступила так называемая "терра эра". Этим названием подчеркивается, что скорость передачи информации соответствует уровню 10 бит в секунду, скорость обработки информации более 10 операций в секунду, а емкость памяти более 10¹² бит. В этих достижениях основную роль играют успехи со временной оптики и лазерной физики. При этом теория оптических волноводов не только не утратила своей актуальности, но стала еще более актуальной. Данная монография преследует цель быть начальным пособием по свойствам оптических волноводов. До недавнего времени под волноводами понимались металлические направляющие волны устройства, которые широко применяются в СВЧ диапазоне и представляют собой главным образом полые трубы. В конце шестидесятых годов начались исследования оптических волноводов, представляющих собой диэлектрические составные нити, имеющие малое поглощение. Диэлектрические (оптические) волноводы отличаются от металлических прежде всего тем, что электромагнитная энергия направляемой волны не полностью локализована внутри волновода, часть энергии распространяется в окружающем пространстве (оболочке). Такие волноводы часто называют открытыми.

В науке и технике сравнительно давно используются оптические волокна (световоды), по которым могут распространяться оптические лучи. Механизм локализации энергии и направляющего действия волокна и оптического волновода один и тот же – полное отражение. Поэтому физические процессы, происходящие в оптическом волокне и оптическом волноводе, имеют много общего. Но когда мы говорим "оптический волновод", то этим подчеркиваем, что в диэлектрической нити (так же как и в металлическом волноводе) может распространяться только небольшое число собственных волн. В световоде распространяется много (тысячи) собственных волн, и поэтому волокно передает только суммарный сигнал, а не отдельные дискретные волны. Оптические волокна как световоды к настоящему времени достаточно хорошо изучены, и описание их свойств можно найти во многих пособиях по волоконной оптике. При рассмотрении свойств световодов можно пользоваться простыми методами геометрической оптики. Теория оптических волноводов может быть создана только на основе решения граничных задач электродинамики. А такие задачи более или менее легко решаются в случаях простейших форм поперечного сечения волноводов (плоские и круглые) и для однородных изотропных волноводов. Теория оптических волноводов с произвольным поперечным сечением, а также анизотропных и неоднородных волноводов весьма сложна и еще не полностью разработана.

В связи с ожидающимся широким применением оптических волноводов их свойства интенсивно исследуются в течение последних 10–15 лет. К настоящему времени можно считать достаточно полно изученными плоские, круглые однородные, прямоугольные волноводы, частично волноводы эллиптического поперечного сечения, многослойные и неоднородные волноводы.

В данной монографии преследуется цель – изложить основы электромагнитной теории оптических (диэлектрических) волноводов. В ней рассматриваются плоские изотропные и анизотропные одно- и многослойные волноводы, круглые, эллиптические, прямоугольные, неоднородные волноводы, а также некоторые вопросы стыковки волноводов и излучения волн.

В книге использованы работы советских и зарубежных исследователей, но преимущественно в ней обобщены результаты авторов и их сотрудников, полученные в последние 10 лет, в частности работы Н.И.Авдеевой, Н.А.Гусака, Л.А.Мазаник, В.Н.Могилевича и В.Ф.Холомеева. В книге не рассматриваются вопросы, относящиеся к таким оптическим явлениям, как нелинейность, дифракция на периодических структурах, распространение импульсов и некоторые другие. Этим объясняется отсутствие в приводимой литературе полного перечня работ по теории оптических волноводов. Ссылки имеются лишь на те работы, в которых изложены основные положения теории.

Монография будет полезна всем тем, кто работает в области оптоэлектроники или интересуется вопросами оптической передачи информации, а также студентам физических и радиотехнических специальностей.

Главы 1, 2, 4, б-8 написаны А.М.Гончаренко, 3, 5, 9 – В.А.Карпенко. Литература приводится в конце каждой главы, обозначения формул и рисунков даются по параграфам. Если указывается формула из другой главы, то впереди нумерации приводится дополнительно номер соответствующей главы.

Активное участие в подготовке монографии принимали сотрудники Могилевского отделения Института физики АН БССР Н.И.Авдеева, Л.А.Мазаник, В.Н.Могилевич, В.Ф.Холомеев, за что авторы выражают им искреннюю благодарность. Авторы признательны рецензентам книги доктору физико-математических наук В.В.Шевченко и кандидату физико-математических наук Б.А.Сотскому, сделавшим ценные замечания, и редактору академику АН БССР Б.В.Бокутю. Благодарим также Э.Н.Бойко и Н.А.Солоновича за помощь при подготовке рукописи к печати.

Введение

Сведения о световодах и диэлектрических волноводах имеются в монографиях [1–5]. Поскольку мы излагаем здесь лишь основы теории оптических волноводов и не рассматриваем многочисленные их применения в интегральной оптике, линиях оптической связи и других устройствах передачи и обработки информации, приведем лишь краткую историческую справку о диэлектрических волноводах.

Долгое время считалось, что направляющим действием могут обладать только металлические провода или металлические трубы. Но из теоретических работ Хондроса и Дебая [6–8] следовало, что и вдоль диэлектрического провода должны распространяться электромагнитные волны. В работе [8] были изучены основные особенности диэлектрических волноводов. Можно считать, что с этого момента начинается история диэлектрических и оптических волноводов. Заметим, что с точки зрения теории нет различия между диэлектрическими волноводами вообще и оптическими в частности.

Попытки экспериментального изучения диэлектрических волноводов были предприняты авторами работ [9, 10]. Однако практической необходимости в диэлектрических волноводах до появления техники СВЧ не было, и поэтому их свойства детально не исследовались. С развитием техники СВЧ в середине 30-х годов возникает практический интерес и к диэлектрическим волноводам. Появляются новые теоретические [11] и экспериментальные работы [12, 13]. В 1940 году в СССР выходит обзорная статья М.Н.Малова [14], посвященная волноводам. Но еще долгое время диэлектрические волноводы не находили широкого применения в технике миллиметрового, субмиллиметрового и оптического диапазонов, хотя они и использовались в качестве антенн. В практике диэлектрические волноводы стали применяться с 50-х годов, когда получила широкое развитие миллиметровая техника и были созданы лазеры.

Появление оптических квантовых генераторов в корне изменило отношение исследователей и разработчиков ко многим оптическим явлениям и устройствам. Лазерный луч открывал возможность использования оптического диапазона электромагнитных волн в системах передачи и обработки информации. А это влекло за собой увеличение сразу на несколько порядков емкости линий передач, быстродействия и улучшения многих других параметров устройств обработки информации. Встал вопрос об исследовании и создании функциональных оптических элементов и линий передач оптического сигнала. Возникли новые направления – оптическая электроника и интегральная оптика [15, 16].

Устройства интегральной оптики создаются на основе плоских диэлектрических волноводов, а передача оптического сигнала в земных условиях производится по оптическим волоконным волноводам с малым затуханием [17–20]. Последние достижения в технологии и лазерной технике дают основание утверждать, что в ближайшие 5–10 лет оптические системы передачи и обработки информации будут широко использоваться как в наземных, так и в космических системах.

Заключение

К настоящему времени достигнуты большие успехи в технологии создания сверхпрозрачных (с затуханием примерно 0,3 дБ/км) оптических волноводов. Наиболее перспективные области применения волноводов – техника связи, оптическая обработка информации и сенсорная техника.

Когда в 1966 году английский ученый К.С.Као впервые высказал предположение о возможности получения оптических волоконных волноводов с малым затуханием, немногие поверили в реальность этого предположения. Ведь в то время лучшие оптические стекла имели затухание около 200 дБ/км. Однако уже в 1970 году были получены волокна с затуханием приблизительно 20 дБ/км. Это уже делало реальным и экономически выгодным применение оптических волноводов в средствах связи. Число научных исследований по волоконной оптике резко возросло. А к середине 70-х годов оптические линии связи стали выходить из стадии лабораторных экспериментов. К настоящему времени ряд оптических систем введен в эксплуатацию.

Наиболее освоены оптические линии диапазона длин волн 0,8–0,9 мкм. Но перспективнее оказался диапазон 1,3–1,6 мкм, который позволит увеличить скорость передачи данных до сотен гигабит в секунду и длину ретрансляционных участков до сотни километров. Исследуется и еще более длинноволновой диапазон ( 4–5 мкм), в котором можно получить волокна с затуханием около 0,07 дБ/км (и даже меньше).

Широким фронтом ведутся исследования в области интегральной оптики, призванной создавать функциональные устройства обработки оптических сигналов. Уже доказана возможность создания интегрально-оптических устройств. Получены все необходимые отдельные элементы: источники и фотодетекторы, устройства ввода и вывода, полосковые волноводы, модуляторы, ответвители, переключатели, пленочные призмы, линзы и др. Существующая технология позволяет формировать оптические тонкопленочные элементы с пространственной структурой примерно 1 мкм.

Основная трудность в создании оптических интегральных схем заключается в отсутствии единого материала подложки для производства различных пассивных и активных элементов. До сих пор отдельные элементы создаются на различных материалах: источники и приемники на полупроводниках, модуляторы на электрооптических кристаллах, полосковые волноводы на стекле и т.д. Сейчас исследуется возможность создания монолитно-гибридных схем, в которых оптические элементы создаются с помощью методов планарной технологии из различных материалов на единой подложке.

Можно утверждать, что достигнуты большие успехи на пути практического использования оптического диапазона длин волн в средствах передачи и обработки информации. В ближайшие годы мы будем свидетелями широкого применения оптических схем в самых различных областях человеческой деятельности.