Голографические дифракционные структуры для оптических систем связи на основе фотополимерных материалов

Одним из основных направлений современного научно-технического прогресса является развитие волоконно-оптических систем связи, обеспечивающих возможность передачи на значительные расстояния чрезвычайно большого объема информации с наивысшей скоростью. Хотя данные системы связи уже нашли самое широкое применение, проблема их совершенствования и развития остается по прежнему актуальной. Возможность передачи такого большого количества информации по волоконно-оптическим линиям связи связана с использованием технологии уплотнения по длине волны (WDM/DWDM), использующей селективные свойства оптических дифракционных структур (ДС). Поиск новых материалов, обеспечивающих долговременную стабильность, низкий уровень шумов и высокую фоточувствителыюсть, в последние годы существенно активизировался. Особенно большое внимание уделяется средам для голографической записи информации, таким как, фоторефрактивные кристаллы, фотополимерпые материалы (ФПМ), композиционные материалы на основе ФПМ с жидкокристаллической (ЖК) компонентой (ФПМ-ЖК), последние в свою очередь позволяют создать динамически управляемые селективные по длине волны оптические коммутаторы для оптических систем связи и обработки информации.

Голографический метод создания дифракционных решеток в указанных материалах является наиболее удобным. В настоящее время исследования голографической записи в ФПМ все больше переходят в плоскость применения, благодаря возможности создания в ФПМ-ЖК нано — размерных матриц, фотонных кристаллов и управляемых периодических дифракционных структур, которые находят обширные применения в области оптической связи и обработки информации.

Перспективность ФПМ обусловлена высокой разрешающей способностью стабильностью записи, высокой дифракционной эффективностью, возможностью управления селективными и дифракционными свойствами, относительной дешевизной материала. Основным преимуществом фотополимеров является то, что голограммы в них формируются в процессе записи и не нуждаются в дополнительной химической обработке.

Целенаправленный поиск фоточувствительных сред требует построения теоретических моделей оптической записи. В случае голографической записи эти построения связаны с решением задач о многоволновых взаимодействиях световых пучков в нелинейной среде. Для стационарных взаимодействий эти задачи уже рассмотрены в литературе в различных приближениях. Динамические модели записи построены лишь для некоторых частных случаев.

Создание теоретических моделей записи и считывания в ФПМ периодических дифракционных структур голографическими методами, позволит моделировать и оптимизировать характеристики данных структур и методики их получения. На данный момент именно голографический способ создания жидкокристаллических матриц с наноразмерами и фотонных кристаллов в фотополимерных средах^гявляется перспективным и наиболее часто интенсивно исследуемым. Рассматриваемые вопросы являются важным этапом в создании оптических динамически управляемых структур с наноразмерами, востребованными в телекоммуникационных системах.

Целью диссертационной работы является создание математических моделей и методики расчета процессов формирования голографических ДС в ФПМ, определение степени влияния внутренних параметро^материала и условий формирования на пространственно-временные амплитудно-фазовые распределения ДС и их дифракционные характеристики. Определение методов динамической оптимизации дифракционных характеристик формируемых ДС.

Основные задачи, определяемые целью работы: исследование кинетики и вида пространственного амплитудно-фазового распределения пропускающих и отражающих фазовых ДС в ФПМ и их дифракционных характеристик: дифракционной эффективности, угловой и частотной селективности, — в зависимости от: поглощения и его фотоиндуцированного изменения, соотношения вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи, нелинейности процесса фотополимеризации по интенсивности света, самодифракции и самовоздействия записывающих волн, амплитудных и фазовых профилей записывающих пучков.

Методы исследования. Теоретический анализ формирования ДС в ФПМ основывался на теории радикальной полимеризации, а дифракции — на решении уравнений связанных волн методом медленно-меняющихся амплитуд и методе возмущений. При обработке экспериментальных результатов по записи и считыванию пропускающих ДС в ФПМ использовались полученные теоретические модели, для оценки параметров материала путем сопоставления результатов численного моделирования и экспериментальных исследований кинетики формирования ДС и ее угловой селективности.

В работе используются: теория радикальной полимеризации, элементы геометрической и волновой оптики, теория связанных воли, метод медленно-меняющихся амплитуд, метод возмущений, преобразование Фурье, операторный метод решения интегро-дифференциальных уравнений, операторный метод решения матричных уравнений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета и анализ формирования пространственно неоднородных фотополимеризационных ДС, основанные на обобщении фотополимеризационно-диффузиониой теории формирования дифракционной решетки в поглощающих ФПМ.

2. Пространственная неоднородность отношения скорости диффузии к скорости полимеризации, обусловленная вдоль глубины решетки поглощением ФПМ, а вдоль вектора решетки амплитудно-фазовой неоднородностью записывающих пучков, приводит к формированию ДС с неоднородным пространственным распределениемдинамической аподизации пространственного профиля ДС. При отставании во времени диффузионного механизма записи от полимеризациоиного увеличение данного отношения приводит к возрастанию эффективности решетки, а в обратном случае — к уменьшению.

3. Подавление высших пространственных гармоник ДС в поглощающих ФПМ осуществляется, когда поглощение приводит к превышению полимеризациоиного механизма записи над диффузионным особенно при выраженной нелинейности полимеризациоиного механизма записи.

4. Поглощение ФПМ приводит к динамической аподизации пространственного профиля ДС, сопровождающейся снижением уровня боковых лепестков, и изменению оптимального соотношения времен полимеризации и диффузии, при котором дифракционная эффективность ДС достигает максимальной величины.

Достоверность полученных диссертантом результатов основывается на корректности постановки задач исследований, высоком теоретическом уровне их решения, использовании апробированных теоретических методов и обоснованных приближений. Достоверность теоретических и расчетных результатов подтверждается: переходом полученных в работе моделей и результатов моделирования при упрощающих допущениях к известным результатам, как на стадии аналитического решения, так и на стадии численного моделирования, подтверждением всех основных результатов теоретических расчетов экспериментальными данными, полученными как самим автором, так и другими авторами, и соответствием полученных материальных параметров экспериментально исследованных ФПМ со значениями, представленными в литературе.

Достоверность экспериментальных результатов по кинетике записи и угловой селективности базируется на использовании известных экспериментальных методик при помощи измерительной аппаратуры с известными характеристиками, ^ повторяемости результатов, ^ согласии с результатами других авторов. Основные результаты диссертации опубликованы в научных журналах и неоднократно докладывались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.

Научная новизна диссертационной работы выражается в следующих теоретических и экспериментальных результатах, впервые полученных автором:

1. В разработанных математических моделях формирования пропускающих и отражающих голограф ических дифракционных структур в фотополимерном материале, позволяющих исследовать вид пространственно-временного амплитудно-фазового распределения создаваемых структур и их дифракционные характеристики, определяющие дифракционную эффективность, угловую и частотную селективность. Модели, полученные в виде аналитических решений, учитывают следующие факторы: о произвольную степень нелинейности скорости процесса фотополимеризации по интенсивности света, о поглощение и его фотоиндуцированное изменение, о контраст интерференционной картины, о произвольное соотношение скоростей полимеризации и диффузии, о формирование решеток последовательностью импульсов, с длительностью импульсов сопоставимой с характерными временами полимеризационных и диффузионных процессов, о самовоздействие записывающих волн при малом контрасте, приводящее к изменению пространственного распределения записывающего светового поля и, соответственно, формированию первой гармоники ДС с измененным амплитудно-фазовым профилем, о высшие пространственные гармоники амплитудного профиля дифракционной решетки, о самодифракцию записывающих волн на высших пространственных гармониках, приводящую к формированию дополнительных дифракционных решеток, о амплитудную и фазовую модуляция записывающих пучков.

• В проведенном на основе созданных моделей численном анализе пространственных профилей пропускающих и отражающих ДС и их дифракционных характеристик, подтвердившем трансформацию неоднородности пространственных профилей и важное влияние учета таких факторов, как соотношение скоростей диффузии и полимеризации, соотношения интенсивностей записывающих пучков, поглощения фотополимерного материала и нелинейности скорости процесса полимеризации по интенсивности света.

• В проведенном экспериментальном исследовании, показавшем адекватность основных разработанных моделей и позволившем оценить область параметров материала и условий записи, в которой необходимо использование той или иной разработанной модели. На основе сопоставления экспериментальных и теоретических результатов дана оценка материальных параметров исследованных ФПМ: вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования ДС, величину и скорость изменения коэффициента диффузии, степени нелинейности скорости процесса фотолимеризации.

• В экспериментально обнаруженном и теоретически описанном эффекте самодифракции записывающих волн на высших пространственных гармониках записываемой дифракционной структуры, приводящем к формированию дополнительных дифракционных решеток.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:

1. В разработанных математических моделях, позволяющих определить условия формирования ДС в поглощающем фотополимерном материале, при которых наличие поглощения приводит к аподизации пространственного амплитудного профиля дифракционной структуры, уменьшению амплитуд высших пространственных гармоник амплитудного профиля, увеличению дифракционной эффективности.

2. В разработанном на основе созданных математических моделей программном обеспечении по расчету дифракционных характеристик пропускающих и отражающих голографических дифракционных структур, позволяющем осуществить динамическую оптимизацию передаточной функции ДС, определить оптимальные условия формирования (время, углы записи и амплитудно-фазовое распределение записывающих пучков) для получения ДС с заданной дифракционной эффективностью, шириной полосы пропускания и перекрестными помехами в угловой и частотной областях. Разработанное программное обеспечение «Пакет программ «Расчет и оптимизация голографических дифракционных структур в фотополимерных материалах» зарегистрировано в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

3. В показанном пути аподизации трехмерного пространственного профиля ДС и оптимизации дифракционных характеристик, путем выбора амплитудно-фазового распределения записывающих пучков в зависимости от внутренних параметров материала.

4. В увеличении дифракционной эффективности ДС на стационарном уровне в несколько раз при переходе от непрерывной записи к записи импульсной последовательностью с длительностью импульсов и скважностью, определенными из соотношения скоростей диффузии и полимеризации, при быстро протекающей полимеризации и медленной диффузии.

5. В применимости разработанных математических моделей формирования ДС в фотополимерном материале с инертной компонентой и полученных на их основе методике расчета и программного обеспечения, для описания динамически формируемых и управляемых внешними полями ДС на основе композиционных фотополимерных материалов, используемых в качестве оптических фильтров и мультиплексоров/демультиплексоров для оптических систем связи.

6. В представленных зависимостях вносимых потерь для фотополимерных пропускающих и отражающих голографических ДС от ширины частотно-углового спектра излучения с равномерным распределением и в проведенной оптимизации дифракционных характеристик ДС в ФПМ.

7. В представленных схемотехнических рекомендациях по формированию и использованию отражающих ДС в однонаправленных и двунаправленных волоконно-оптических системах передачи со спектральным разделением каналов.

ВОСП-СР) и проведенном расчете двунаправленных систем передачи на основе полимерного оптического волокна с фотополимерной отражающей ДС в качестве мультиплексора/демультиплексора с оценкой вносимых потерь и перекрестных искажений.

Внедрение. Результаты диссертационной работы использованы:

• в Новосибирском институте органической химии Сибирского отделения РАН (НИОХ СО РАН) при оптимизации фотополимерных композиций в НИР «Дизайн функциональных светочувствительных органических материалов» в рамках программы РАН «Направленный синтез химических соединений с заданными свойствами»;

• в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) на кафедре «Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники» (СВЧ и КР) при выполнении НИР ГБ 1.7.97 «Изучение оптоэлектронных и акустооптических взаимодействий в фоторефрактивных кристаллах, фотополимерных средах функциональных устройств оптических систем связи и обработки информации», НИР ГБ 5.00.1 «Новые принципы построения устройств функциональной электроники для систем связи и обработки информации на основе фоторефрактивных и акустооптоэлектронных процессов и явлений», НИР 711 по проекту: «Исследование наноразмерных динамически управляемых дифракционных периодических структур в фотополимеризующихся жидкокристаллических композиционных материалах» ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» в 2005 г, а также при курсовом и дипломном проектировании студентов;

• в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре «Линий связи» и в ТУСУР на кафедре СВЧ и КР в виде реализованных компьютерных лабораторных работ для студентов по расчету демультиплексоров для ВОСП-СР.

В приложении приведены акты об использовании результатов работы и копия свидетельства об отраслевой регистрации разработки «Пакет программ «Расчет и оптимизация голографических дифракционных структур в фотополимерных материалах» в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных работах.

Основное содержание работы опубликовано в 32 основных работах, включая 5 в рецензируемых периодических журналах (4 — в Известиях вузов. Физика, 1 — в Вестнике.

Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины), 1 — в межвузовском сборнике научных трудов центрального издательства «Гидрометеоиздат», 8 в трудах SPIE, 18 докладов в трудах конференций (в том числе 3 в приложении к журналу «Известия вузов. Физика»),.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Problem of Interaction of Radiation with Matter» (Belarus, 2001), на Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Fundamental problems of Optoand Microelectronics» APCOM-2001,2002,2004 (Russia), на III-VI школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии» (Россия, 2002, 2003, 2004, 2005), на IX Международной конференции «Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals» (Ukraine, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления» (Россия, 2003), на 17-ом международном симпозиуме «Aerosence» на конференции «Enabling Photonic Technologies for Aerospace Applications V» (USA, 2003), на 7-й международной конференции по оптике «ROMOPTO 2003» (Romania, 2003), на Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Россия,.

2003), на международной конференции «Photonics Europe: Organic Optoelectronics and Photonics» (France, 2004), на Всероссийских научно-технических конференциях «Научная сессия ТУСУР» (Россия, 2005), па 14-ой Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» КрыМиКо (Украина, 2004), на 13-ой международной конференции «International Plastic Optical Fibres Conference» (Germany,.

2004), на международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Россия,.

2004), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Россия, 2005), на П-ой международной конференции IASTED «International Multi-Conference Communication systems» ACIT-CS (Russia, 2005), на Международной конференции «Photorefractive Effects, Materials, and Devices 2005» (China,.

2005).

Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 145 наименований и приложения. Полный объем диссертации — 195 страниц, включая 64 рисунка и 10 таблиц.

Выводы по главе.

В данной главе были представлены результаты экспериментальных исследований по записи и считыванию Г1ГДР в ФПМ. Для экспериментов были использованы два разных фотопйлимерных материала. На основе сопоставления экспериментальных кривых кинетики и угловой селективности ПГДР были оценены макропараметры (вклады и скорости поли мер изационного-диффузионного и диффузионного механизмов формирования дифракционной решетки, степень нелинейности скорости процесса фотолимеризации, скорость изменения коэффициента диффузии) исследованных материалов. Данные оценки находятся в хорошем качественном согласии с результатами других авторов. Также была показана необходимость учета тех или иных факторов в определенных задачах из сопоставления макропараметров материала для одних образцов при различных условиях записи.

Погрешность сопоставления экспериментальных кривых с теоретическими не превышает экспериментальной погрешности, из чего делается заключение о достоверности полученных теоретических моделей и их приемлемости для оптимизации дифракционных характеристик ДС в ФПМ.

Результаты сопоставления эксперимента с теорией и теоретические модели формирования и считывания ДС в ФПМ были использованы для оптимизации композиции ФПМ (концентрации компонент) с целью получения заданных параметров в Новосибирском институте органической химии СО РАН.

Полученные результаты оптимизации условий записи ДС в ФПМ и зависимости вносимых потерь от ширины углового спектра считывающего излучения для равномерного распределения, использованы для расчета двунаправленной системы передачи на основе полимерного оптического волокна. Расчеты мультиплексора/демультиплексора на основе ОГДР показали вносимые потери от -3.52 дБ до -3.75 дБ (вместо -12дБ при использовании У-разветвителя и интерференционного фильтра в [82]) и перекрестные искажения от -32дБ до -37дБ для ОГДР, записанной плоскими пучками, и ОГДР, записанной пучками с амплитудно-фазовой неоднородностью, соответственно. Этот результат позволил сделать заключение о целесообразности использования ОГДР в ФПМ для ДСП на ПОВ.

Заключение

.

1. Впервые разработаны математические модели, в виде аналитических решений, задачи нелинейной записи световыми пучками с амлиту дно-фазовой неоднородностью пространственно неоднородных голографических дифракционных структур (ДС) с высшими пространственными гармониками в ФПМ при произвольных соотношениях вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи для оптических систем связи, позволяющие определить кинетику и вид пространственного амплитудно-фазового распределения создаваемых ДС.

2. Получено решение самосогласованной задачи считывания пространственно-неоднородных ДС с высшими пространственными гармониками произвольно поляризованным монохроматическим световым пучком. Решение получено с помощью метода возмущений для произвольной эффективности решетки в виде рекуррентных аналитических выражений для пространственно-временного распределения прошедшего и дифрагированных пучков.

3. Исследовано влияние поглощения на неоднородность профилей пространственных гармоник ДС в ФПМ и их трансформацию, вплоть до обратного распределения (в пропускающей геометрии), относительно распределения света, причем степень трансформации зависит от соотношения скоростей полимеризации и диффузии (6). Показано, что в поглощающем ФПМ на стационарном уровне записи наблюдается увеличеиие дифракционной эффективности ПГДР до 6 раз (при ох1=А Неп) увеличение полосы пропускания ОГДР в 1.4 раза, и уменьшение уровня боковых лепестков ОГДР до -25дБ. Выявлено, что фотоиндуцированпое изменение поглощения компенсирует влияния поглощения на пространственные профили и дифракционные характеристики ДС.

4. Установлено, что при переходе от непрерывной записи к записи импульсной последовательностью с длительностью импульсов и скважностью, определенными из соотношения скоростей диффузии и полимеризации, при быстро протекающей полимеризации и медленной диффузии происходит увеличение дифракционной эффективности ДС на стационарном уровне в несколько раз.

Исследовано влияние самовоздействия записывающих волн при формировании ДС в ФПМ, на пространственное распределение первой гармоники ДС. Показано, что данный эффект приводит к пространственной неоднородности амплитудно-фазового пространственного распределения первой гармоники ДС до 50%, увеличению дифракционной эффективности ДС до 1.7 раза, смещению максимума дифракционной эффективности в область увеличения угла Брэгга до 10% от ширины полосы пропускания для ПГДР и до 50% в область уменьшения угла Брэгга для ОГДР.

Показано, что в поглощающих ФПМ динамика формирования пространственных профилей гармоник является нелинейной и существенно различной, причем снижение амплитуды высших пространственных гармоник наблюдается при увеличении отношения скорости диффузии к скорости полимеризации Ь, снижение контраста интерференционной картины. Установлено, что самодифракция записывающих волн на высших пространственных гармониках ДС приводит к формированию дополнительных дифракционных решеток (ДДР) с квазипериодичным распределением амплитуды и фазы профиля ДДР вдоль глубины решетки.

Проведены экспериментальные исследования непрерывной и импульсной записи ПГДР, записи при малом контрасте, записи с мониторингом второй пространственной гармоники, записи пучками с неоднородным амплитудно-фазовым профилем. Определены материальные параметры исследованных ФПМ: величина и скорость изменения коэффициента диффузии, время и степень нелинейности скорости процесса полимеризации.

Проведена оптимизация дифракционных характеристик ДС в ФПМ, получены зависимости максимальной дифракционной эффективности, оптимального времени формирования, уровня боковых лепестков от интенсивности записывающих пучков, угла записи, поглощения материала. Установлены зависимости вносимых потерь для ДС в ФПМ от ширины частотно-углового спектра излучения с равномерным распределением, позволяющие определить условия записи необходимые для получения заданных вносимых потерь в зависимости от числовой апертуры волокна и ширины частотно-углового спектра источника излучения в оптической системе передачи (СП).

9. Даны схемотехнические рекомендации по схемам записи ОГДР и их использованию в однонаправленных и двунаправленных СП с двумя длинами волн для минимизации вносимых потерь и перекрестных искажений. Проведен расчет двунаправленных систем передачи на основе полимерного оптического волокна с фотополимерной отражающей голографической дифракционной решеткой в качестве мультиплексора/демультиплексора с оценкой вносимых потерь и перекрестных искажений. Показано, что использование ОГДР дает уменьшение вносимых потерь до 9дБ при оптимальной схеме использования в двунаправленной системе передачи на полимерном оптическом волокне с двумя длинами волн по сравнению с аналогичной системой с У-разветвителями и оптическими фильтрами.

10. Разработано программное обеспечение по расчету дифракционных характеристик ДС в ФПМ и оптимизации передаточных характеристик оптических мультиплексоров/демультиплексоров на их основе (вносимые потери и перекрестные искажения), зарегистрированное в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».