CC BY
10DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-84-85
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНЫХ СВОЙСТВ В ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СВЕТОВОДАХ НА ОСНОВЕ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА И ТАЛЛИЯ
*
Южакова А.А., Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Корсаков А.С., Жукова Л.В.
Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург E-mail: l.v.zhukova@urfu.ru
Фотонно-кристаллические световоды (ФКС), называемые также микроструктурированными, являются одним из направлений развития волоконной оптики и представляют собой пассивные элементы для управления проходящим излучением: от частотной фильтрации излучения и увеличения диаметра поля моды до генерации суперконтинуума и достижения теоретического предела пропускания оптического материала. Для среднего инфракрасного (ИК) диапазона существуют ФКС на основе кварцевых и халькогенидных стекол, а также на основе галогенидов серебра и таллия. Вставки в ФКС на основе кварцевых стекол заполнены воздухом, в связи с чем позволяют достичь рекордно малых значений оптических потерь, однако являются хрупкими. Их диапазон пропускания достигает 6 мкм. В ФКС на основе халькогенидных стекол известны полностью твердотельные световоды (без заполненных воздухом вставок), которые в случае генерации суперконтинуума передают ИК излучение в диапазоне от 1,5 до 14 мкм, а в случае световодов с увеличенным диаметром поля моды - от 3,5 до 7,5 мкм. ФКС на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия также являются полностью твердотельными. На данный момент известны световоды, работающие в диапазоне длин волн 2-20 мкм с диаметром поля моды до 130 мкм [1, 2] изготовленные на основе кристаллов системы AgCl-AgBr и волокна, передающие ИК излучение от 2 до 25 мкм с диаметром поля моды до 100 мкм на основе комбинации кристаллов двух систем AgCl-AgBr и AgBr-TlI [3]. Последний тип волокон отличается низкими оптическими потерями - 1,5 дБ/м, что в 5 раз ниже в сравнении с аналогами [1, 2] на основе галогенидов серебра, а также охватывает наиболее широкий диапазон ИК излучения.
Световоды на основе систем AgCl-AgBr, AgBr-TlI были разработаны в Уральском федеральном университете (УрФУ) в Научной лаборатории волоконных технологий и фотоники. Кристаллы приведенных выше и новых систем AgBr-TlBr0.46I0.54 и AgBr - AgI были также впервые получены и исследованы в УрФУ. Световоды на основе известных и новых кристаллических систем изготавливаются по методу экструзии и образуют новый класс элементов фотоники. Фотонно-кристаллические световоды на основе галогенидов серебра и таллия перспективны для многих применений в науке и технике, таким образом их разработка является актуальной задачей оптики и фотоники.
Данная работа посвящена исследованию селективных свойств ФКС на основе кристаллов твердых растворов систем AgCl-AgBr, AgBr-TlBr0.46I0.54, AgBr - Agi с гексагональной и квадратной конфигурацией вставок посредством численного моделирования. Симуляция осуществляется с помощью методов плоской волны (PWE) и конечных элементов (FEM) с целью верификации полученных результатов. Также одной из актуальных задач фотоники является получение одномодового режима работы волокон с увеличенным диаметром поля фундаментальной моды, что согласно исследованиям авторов [4], достигается при отношении диаметра вставки (d) к шагу структуры (Л) d/Л < 0.4. Таким образом в исследовании была решена комплексная задача -исследование селективных свойств в световодах, работающих в одномодовом режиме с увеличенным диаметром поля моды.
Для исследования были приняты волокна на основе трех систем: AgCl-AgBr, AgBr-TlBr0.46I054 с содержанием до 27 мол. % TlBr0.46I0 54 в AgBr и AgBr-AgI с содержанием до 36 мол.% AgI в AgBr. Геометрические параметры световодов: диаметры всех вставок 20 мкм, шаг структуры 200 мкм, что соответствует d/Л = 0,1. Все ФКС разрабатываются в рамках одной системы кристаллов. На первом этапе с помощью PWE метода были получены зонные структуры для ФКС на основе каждой системы с гексагональной и квадратной конфигурацией вставок. Результаты симуляции для системы AgBr-AgI показаны на рисунке 1.
Как можно видеть по рис.1, для гексагональной конфигурации вставок зонная структура является достаточно широкой, что обеспечивает эффективную работу ФКС в узком диапазоне длин волн ДА, = 0,2-1,0 мкм. В ФКС с квадратной конфигурацией зонная структура узкая с шириной
ДА, = 0,1 мкм, что позволяет определить данный световод как узкополосный частотный фильтр. На основании моделирования зонной структуры были выбраны длины волн, находящиеся внутри и вне запрещенной зоны для верификации при моделировании по методу конечных элементов. Для гексагональной конфигурации вставок внутри запрещенной зоны находятся длины волн 4,3 и 10,0 мкм, вне - 5,0 и 20,0 мкм, для квадратной конфигурации - 5,0 и 20,0, 7,6 и 14,3 мкм соответственно.
Моделирование по методу FEM осуществлялось с помощью Comsol Multiphysics [5] для ФКС с принятыми ранее геометрическими параметрами и длинами волн. Для определения показателя преломления для соответствующих длин волн принимались уравнения Зельмейера, полученные ранее при исследовании оптических свойств кристаллов систем AgCl-AgBr, AgBr-TlBr046I0 54, AgBr - Agi. По результатам моделирования был получен модовый состав исследуемых ФКС и коэффициенты
затухания мод по длине световода. На рисунке 2 показаны фундаментальные моды для ФКС обоих конфигураций на основе системы кристаллов AgBr-AgI, смоделированные на длинах волн внутри и вне запрещенной зоны.
Для всех мод ФКС на длинах волн внутри запрещенной зоны значение коэффициента затухания было отрицательным, и, наоборот, вне зоны - положительным. Это подтверждает, что при
прохождении через ФКС излучения с длиной волны, соответствующей частоте внутри запрещенной зоны, оно полностью затухает внутри световода. Моды излучения с разрешенной длиной волны, наоборот, усилятся. Это подтверждает высокие селективные свойства исследуемых ФКС.
Таким образом, рассмотренные в данной работе структуры ФКС на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия показали высокие селективные свойства и возможность работы в одномодовом режиме с увеличенным диаметром
а)
б)
Рис. 1. Результаты моделирования зонной структуры в ФКС: а) с гексагональной конфигурацией вставок, б) с квадратной конфигурацией вставок
выполнено при финансовой в рамках научного проекта
Рис. 2. Фундаментальная мода и коэффициент ее затухания а для ФКС на длине волны: а,г) внутри запрещенной зоны, б, в) вне запрещенной зоны
поля моды (рис.2).
Исследование поддержке РФФИ № 20-32-90021.
Литература
1. Millo A. et al, IEEE Photonics Technology Letters 20, 869-871 (2008)
2. Butvina L.N. et al, Quant. Electr. 39, 283-286 (2009)
3. A.Lvov, D.Salimgareev, M.Korsakov, A.Korsakov and L.Zhukova, Opt. Mat. 73, 337-342 (2017)
4. N.A.Mortensen, Opt. express 10, 341-348 (2002)
5. COMSOL Multiphysics® v. 5.6. www.comsol.com. COMSOL AB, Stockholm, Sweden
