Физика/6.Радиофизика.
Савченко О.В.
Себряковский филиал Волгоградского государственного
архитектурно-строительного университета, Россия
Оптические импульсы
в активных планарных волноводах
В устройствах и системах интегральной оптики и оптоэлектроники используются разнообразные элементы, в основу работы которых положено направленное пространственное усиление (активные среды различной физической природы) и поглощение импульсных электромагнитных волн. К ним относятся, например, лазерные источники с РОС, как с охватом всей длины активной области, так и в качестве резонансных отражателей, находящихся в начале и в конце активной среды; устройства селективного усиления, фильтрации, распределения волн и т.д. Наиболее перспективно конструктивное с учётом всех свойств выполнение таких элементов на слоистых композиционных структурах, в которые могут входить неоднородные, нелинейные, анизотропные, киральные слои с тем или иным типом поглощения (усиления).
В связи с этим весьма актуальным является исследование причин, вызывающих искажение импульсных волн при их прохождении по структурам со сложной внутренней средой. Из них можно выделить спектрально неоднородное затухание несущих волн, групповую, волноводную и материальную дисперсию, спектральный состав импульсов, неоднородности распределений материальных характеристик волноведущей среды, условий возбуждения волноведущей системы и т.д.
Изучено влияние спектрально-неоднородной дисперсии несущих волн и затухания (усиление) в композиционной среде на распространение прямоугольного оптического импульса для нескольких случаев знака поглощения однородных внешних слоев и вида профиля комплексной диэлектрической проницаемости.
Численные
расчеты проводились для самых разных параметров волноведущей среды и
оптического импульса. Выполнены расчеты искажения прямоугольного импульса для
прозрачного центрального слоя с биквадратичным распределением диэлектрической
проницаемости, когда окружающие слои слабопоглащающие с равными коэффициентами
поглощения. При этом рассматривался как одномодовый,
так и маломодовый режимы распределения. Для того чтобы выявить влияние каждого
из искажающих факторов в отдельности, расчеты проводились сначала при
прозрачном и слабопоглащающем волноведущем слое с постоянными материальными
характеристиками, а затем, с учетом их пространственного изменения и
переменного затухания, коэффициенты поглощения всех трех сред принимали
отрицательные и положительные значения. В качестве несущих рассматривались
магнитные волны и
. В одномодовом режиме (несущей является волна
) за
счет затухания (усиления) направляемой волны происходит фазовое перемешивание
различных частей импульса.
Когда материальные характеристики волноведущей среды постоянны, то даже для узкополосных импульсов из-за непостоянства группового замедления несущей волны (рис.1) в пределах полосы частот, занятых импульсом, происходит существенное искажение огибающей при малых пройденных расстояниях.
Рис. 1. Зависимость
приведенного группового замедления первых пяти - волн
от приведенного размера однородного планарного волновода.
Если создается распределение материальных характеристик (диэлектрической проницаемости), фокусирующее поле в серединной плоскости центрального слоя, то групповое замедление достигает своего максимального значения в частотном интервале (рис.2) и максимум амплитуды деформируется значительно слабее.
Рис. 2. Зависимость
приведенного группового замедления
центрального слоя.
Наличие
затухания (усиления) искажает энергетический спектр импульса в соответствии с
зависимостью коэффициента затухания (усиления) несущей волны от приведенного
размера волновода. При достаточно больших его значениях, которые в пределе
совпадают с коэффициентом поглощения окружающих слоев, импульс полностью
разваливается для небольших значений продольной координаты . В двумодового режима распространения существенно значение
при передаче оптического импульса приобретает величина разности групповых
замедлений, которая для обычного волновода представляет собой весьма
значительную величину (рис.1).
Добавление этого искажающего фактора к спектрально-неоднородному затуханию (усилению) приводит к тому, что прямоугольный импульс подвергается сильному ослаблению (усилению) с деформируемой огибающей, и на прямом устройстве мы, по сути дела, воспринимаем совершенно другой импульс.