Грант РФФИ 15-07-03617-а (2015-2017)

Исследование аномальных оптических явлений в дискретных оптических волноводных структурах

Предметом исследований являются новые оптические явления, наблюдаемые при распространении оптической волны по одномодовому оптическому волноводу (кремниевая проволока) в присутствии дифракционной решетки в виде сегментной периодической структуры (обычно с показателем преломления значительно меньше, чем у исходного кремниевого волновода). Аналогичные структуры подробно описаны в научной литературе, особенно, для структур с субволновым периодом, используемых для инжиниринга оптических свойств оптических элементов. Для структур с длинноволновым периодом, обычно считалось, что наличие дифракционной решетки в окрестности оптического волновода приводит только к брегговскому отражению волноводной моды в аналогичную моду, распространяющуюся в обратном направлении, или к взаимодействию с модами излучения (как в элементах ввод/вывода света в оптический волновод при помощи дифракционной решетки).

В нашем проекте впервые показано, что кроме этих известных явлений в предлагаемой структуре наблюдается новый эффект, который мы называем эффектом «аномального заграждения». Он заключается в появлении дополнительных полос заграждения при прохождении оптической волны по оптическому волноводу, при котором отсутствует (или сильно подавлено) отражение в волноводную моду кремниевого волновода обратного направления. Данный эффект мы объясняем резонансным взаимодействием (за счет туннельной связи) направляемой моды сегментного волновода с локальным «возмущением», которое поддерживает сегментная структура дифракционной решетки. Это «возмущение» представляет собой вытекающую моду сегментного квази-волновода, вследствие чего наблюдаемое явление имеет сходные черты с известным эффектом связи двух оптических волноводов за счет периодического элемента связи. Отличие заключается в том, что в нашем случае сегментированная периодическая структура не является классическим волноводом. Период сегментной структуры сравним с длиной оптической волны, поэтому выполняется условие на отток энергии из нее посредством мод излучения, что обуславливает высокую величину оптического затухания даже вне полос брегговского заграждения.

Детальное описание эффекта «аномального заграждения» в данном проете выполнено с привлечением собственной полуаналитической матричной разработки алгоритма метода линий 2D MoL и коммерческого пакета FullWave от компании RSoft-SYNOPSYS, предназначенного для выполнения численных экспериментов прямым моделированием методом конечных разностей во временной области (2D и 3D FDTD). Для ускорения процесса вычислений мы также использовали двумерное приближение эффективного показателя преломления (EIM).