Скачать презентацию
Идет загрузка презентации. Пожалуйста, подождите
Презентация была опубликована 10 лет назад пользователемГерасим Дробышев
1 1 Фотоника и инновации часть 2 Анатолий Петрович Сухоруков МГУ им. М.В. Ломоносова
2 2 Оптический спектр и элементы фотоники Фотонный кристалл из пористого кремния Дифракционная решетка
3 3 Лидирующая роль фотоники в 21 веке 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.
4 4 National Center for Optics and Photonics Photonics is an important new technical area technical area. Lasers and Other Light Beams are Preferred Carriers of Energy and Information for Many Applications Coherent light beams (lasers) have a much higher bandwidth and can carry far more information than radio frequency & microwave signals. Fiber optics allow light to be piped through cables. Photonics is an enablingenabling technology One or two photonics courses in a related technology program can qualify graduates for a wide variety of jobs. There is a high demand for photonics technicians.
5 Фотонные кристаллы Периодическая электромагнитная среда В области частотной щели фотонный кристалл ведет себя как «оптический изолятор»
6 6 Электронные и фотонные кристаллы атомы в структуре алмаза волновой вектор энергия электрона Периодическая среда Блоховские волны: Диаграмма полос диэлектрические сферы, алмазная решетка волновой вектор энергия фотона Частота волны interacting: hard problemnon-interacting: easy problem
7 7 Умышленно сделанные дефекты дают полезные эффекты микрорезонаторы микроволноводы (проволоки)
8 8 Внедренные дефекты in 2- мерных кристаллах (Same computation, with supercell = many primitive cells)
9 9 Распространение света в фотонных кристаллах с дефектами Можно получить много интерсных устройств
10 10 Создание фотонных кристаллов из блоков Точечные дефекты (резонаторы) Линейные дефекты (волноводы )
11 11 Волноводные моды с меньшим показателем преломления
12 12 Сверх-дефектная структура = –3, Q rad = 13,000 (сверхдефект) still ~localized: In-plane Q || is > 50,000 for only 4 bulk periods EzEz
13 13 (in hole slabs, too)
14 14 ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ОТТАЛКИВАНИЯ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ И.В. Кабакова Кафедра радиофизики Физический факультет МГУ им. Ломоносова
15 15 ПРОБЛЕМА: Создание высокоскоростных оптических переключателей для телекоммуникационных систем. Повышение частоты переключения до ТГц.
16 16 СУЩЕСТВУЮЩИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ Оптические переключатели, основанные на распространении и взаимодействии солитонов в нелинейной среде Недостатки: Необходима высокая мощность излучения ~ ГВт/см 2 для генерации солитонов; Необходим строгий контроль фазовых соотношений и отношения «амплитуда-ширина» солитонов; Солитоны часто неустойчивы в объемных материалах.
17 17 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
18 18 Создание индуцированной неоднородности показателя преломления Фоторефрактивные кристаллы: Материалы с тепловой нелинейностью: Каскадное взаимодействие в квадратично-нелинейной среде:
19 19 Отражение реализуется при: начальных углах меньших критического прицельных расстояниях меньших начального расстояния между пучками Траектория движения сигнала в неоднородной среде
20 20 Fe, Cu :LiNbO 3 Фоторефрактивные кристаллы* *LiNbO 3, BaTiO 3, KNbO 3, Bi 4 Ti 3 O 12, Sr 1-x Ba x Nb 2 O 6 (SBN), Bi 12 SiO 20 (BSO), Bi 12 GeO 20 (BGO)
21 21 Для LiNbO 3 : Численные оценки параметров отражения Глубина модуляции показателя преломления и критический угол: - интенсивность поля накачки
22 22 Полное внутреннее отражение n i > n o nono rays at shallow angles > c are totally reflected Snells Law: i o n i sin i = n o sin o sin c = n o / n i < 1, so c is real i.e. TIR can only guide within higher index unlike a band gap
23 23 Дефокусирующая тепловая нелинейность Нелокальность нелинейного отклика: профиль неоднородности не повторяет распределение интенсивности накачки, а определяется граничными условиями.
24 24 Нелинейное отражение от тепловой неоднородности P 1 – мощность накачки d – расстояние между пучками
25 25 Трёхволновое взаимодействие в квадратично-нелинейной среде Мощный пучок накачки Слабый сигнальный пучок Угол наклона Уравнения для медленно меняющихся амплитуд волновых пучков: - расстройка определяется углом наклона сигнала
26 26 Каскадное взаимодействие Амплитуда волны на суммарной частоте: Профиль индуцированной неоднородности повторяет распределение интенсивности накачки. Соотношение для предельного угла отражения :
27 27 Моделирование явления параметрического отражения Изображение взаимодействующих пучков Обмен энергией между пучками
28 28 Параметрический волновод Слабый сигнальный пучок распространяется между двумя пучками накачки, поочередно отражаясь от них. Длина волновода ограничена дифракционным расплыванием пучков накачки.
29 29 Оценки параметров среды и пучков
30 30 Параметрическое отражение от фокусированной накачки В перетяжке пиковая амплитуда возрастает в раз!
31 31 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)
32 32 КАСКАДНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕТОК В КВАДРАТИЧНОЙ СРЕДЕ А.К. Сухорукова, А.П. Сухоруков, В.Е. Лобанов Московский государственный университет Физический факультет
33 33 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
34 34 Основные уравнения
35 35 Граничные условия
36 36 Дискретная дифракция и волноводное распространение сигнального пучка
37 37 Наклонный пучок сигнала
38 38 Формирование двумерной решетки волнами накачки
39 39 Сигнал на выходе двумерной решетки
40 40 Распространение сигнала в двумерной решетке (анимация)
41 41 Оценки для проведения экспериментов
42 42 Заключение Рассмотрена каскадная генерация оптических периодических решеток. При численном моделировании наблюдалась дискретная дифракция. При увеличении глубины модуляции решетки сигнальный пучок захватывался в волновод.
43 43 Получить материал: большой угол Фарадея (45°) большой коэффициент прохождения (>20%) Поиск материалов с большим значением гирации (удельного угла Фарадея) BiYIG; CdMnTe; … Поиск нано и микро-структур, в которых МО эффекты усиливаются Одна из основных задач магнитной фотоники Пути решения
44 44 Немагнитные коллоидные сферы + полости N – SiO 2 M – магнитные жидкости Магнитные фотонные кристаллы N – GGG, SiO 2 M – Bi-YIG
45 45 Магнитные фотонные кристаллы H. Kato, J.Appl.Phys. 93, 3906 (2003)
46 46 Магнитный фотонный кристалл Влияние намагниченности на положение дефектных мод 1,5490 1,5494 1,5498 1,5502 1,5506 1,5510 Длина волны, мкм Коэффициент прохождения, % g=0 g=0.009 линейно по g, т.е. по намагниченности
47 47 Магнитный фотонный кристалл (a)g = 0 (b)g = 0,01 (c)g = 0,03 (d)g = 0,05 (a)g = 0 (b)g = 0,01 (c)g = 0,03 (d)g = 0,05 Несовпадение резонансов s- и p-волн Зависимость положения резонансов от намагниченности Несовпадение резонансов s- и p-волн Зависимость положения резонансов от намагниченности Длина волны, мкм Коэффициент прохождения, % Управление поляризацией и пропусканием при наклонном падении путем изменения намагниченности
48 48 Металл – Au (h=68 нм, d=750 нм, r=394 нм) 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, (2007). Перфорированные метало -диэлектрические пленки
49 49
50 50 Металлические пленки Малое прохождение Большой угол Фарадея Прозрачные магнитные пленки Перфорированные магнитные пленки Большое прохождение Малый угол Фарадея Большое прохождение Большой угол Фарадея Наноструктурирование материала
51 51 Спин-тороидное упорядочение Тороидный момент SiSi riri Тороидные среды: мультиферроики (GaFeO 3 ) антиферромагнетики (Cr 2 O 3 ) Управление внешним полем за счет изменения намагниченности Коэффициент прохождения через слой зависит от тороидного момента: Изменение коэффициента отражения при изменении направления тороидного момента на противоположное: b – безразмерная постоянная, зависит от тороидного момента А.Н. Калиш, В.И. Белотелов, А.К. Звездин, Распространение электромагнитных волн по магнитным средам, обладающим тороидным упорядочением, IV Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика » Модуляция интенсивности волны:
52 52 СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ, АКТИВИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ Л.И. Булатов 1, В.В. Двойрин 2, В.М. Машинский 2, А.П. Сухоруков 1 МГУ им. М.В. Ломоносова ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА РАДИОФИЗИКИ НЦВО РАН 1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Воробьевы Горы, e–mail: 2 Научный центр волоконной оптики, Российская Академия наук, Москва, ул. Вавилова, 38
53 53 Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) в 2025 году Рост IP трафика в 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. Жизненно необходимо освоение новых спектральных диапазонов, в первую очередь второго телекоммуникационного окна прозрачности (O-band). E. Desurvire, Optical сommunications in 2025, in Proc. 31st ECOC, Glasgow, Scotland, paper Mo (2005).
54 54 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.
55 55 Параметры волоконных световодов, активированных висмутом Обра зец Состав стекла (мол. %) Концент рация висмута (ат. %) Метод изготов ления Техника легирования висмутом Оптические потери в области 1 мкм (дБ/м) Max люминесценции /FWHM (нм) 5 96SiO 2 : 4Al 2 O MCVDПропитка601160/ SiO 2 : 3.8Al 2 O 3
56 56 СПЕКТРЫ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ λ max = nm FWHM~200 nm τ~1 ms σ~6x cm 2 Непрерывный висмутовый волоконный лазер Генерация получена в диапазоне нм. Дифференциальная эффективность до 30%, выходная мощность 0.5 Вт при накачке 5Вт мкм. Генерация получена в диапазоне нм. Дифференциальная эффективность до 30%, выходная мощность 0.5 Вт при накачке 5Вт мкм. Е.М. Дианов, В.В. Двойрин, В.М. Машинский, А.А. Умников, М.В. Яшков, А.Н. Гурьянов, Непрерывный висмутовый волоконный лазер. – Квантовая электроника, 35, 12(2005), стр – 1084.
57 57 Спектры полных оптических потерь Полосы поглощения, связанные с АВЦ ОH-группы Полосы поглощения, связанные с неактивным Bi 3+ Приемлемый уровень пассивных потерь от до 0.02 дБ/м в рабочем диапазоне Полосы поглощения, связанные с АВЦ Ge-КДЦ
58 58 Насыщение люминесценции и насыщение поглощения Введенная мощность 1064нм, мВт Интенсивность люминесценции, отн..ед. Интенсивность насыщения люминесценции 35 кВт/см 2 Интенсивность насыщения поглощения 1 – 25 кВт/см 2
59 59 Рассеяние в волоконных световодах, активированных висмутом Спектры поглощения и рассеяния в световодах
60 60 В БЛИЖАЙШЕЕ ВРЕМЯ ПЛАНИРУЕТСЯ: 1.Совершенствование процесса изготовления волоконных световодов, активированных висмутом. Изготовление световодов с различными составами стекла сердцевины. 2.Спектроскопический анализ полос поглощения и люминесценции. 3.Анализ химического состава стекол световодов. Определение природы АВЦ. 4.Влияние тепловой обработки, рентгеновского и УФ облучения на структуру стекла световодов. 5.Математическая обработка экспериментальных данных. Квантово- химическое моделирование различных вариантов вхождения ионов висмута в сетку алюмосиликатного стекла. 6.Лазерные эксперименты. Создание широкополосных усилителей, перестраиваемых и фемтосекундных лазеров.
61 61 ПЕРСПЕКТИВЫ ВИСМУТОВЫХ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ Впервые в мире созданы лазеры и усилители на основе волоконных световодов, активированных висмутом. Данные световоды могут стать основой для создания нового поколения волоконно-оптических систем связи в спектральном диапазоне мкм (O-полоса). Объем рынка эрбиевых усилителей и лазеров – несколько млрд долларов (IPG Photonics). Медицина. Получение второй гармоники – 580 нм (желтый цвет). Офтальмология, стоматология. Астрономия. Создание натриевой звезды для настройки адаптивной оптики.
Еще похожие презентации в нашем архиве:
© 2024 MyShared Inc.
All rights reserved.