Толмачев В.А. Одномерные фотонные кристаллы и микрорезонаторы на основе кремния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук: 01.04.05 – Оптика. — Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе. — Санкт-Петербург, 2014. — 31 с.Научный руководитель:Цель работы. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей формирования и преобразования фотонных запрещенных зон и резонансных мод в одномерных фотонных кристаллах, полученных с помощью методов микроструктурирования на Si.Для достижения поставленной цели были поставлены и решались следующие конкретные научные задачи:
Развитие метода моделирования фотонных кристаллов в виде карт фотонных запрещенных зон для создания композитных одномерных ФК и резонаторов на их основе.
Определение влияния геометрии падающего пучка и флуктуаций параметров 1ФК на фотонные запрещенные зоны.
Расширение полос высокого отражения путем создания cоставных 1ФК (оптических гетероструктур).
Выявление закономерностей при формировании ФЗЗ и областей прозрачности в трехкомпонентных 1ФК.
Управление фотонными запрещенными зонами в композитных 1ФК, используя оптические свойства жидких кристаллов (ЖК).
Подстраивание резонансов высоких порядков в резонаторах Фабри-Перо на основе структуры «Si-ЖК-Si.
Выявление принципов управления триплетными модами связанных резонаторов в 1ФК.Научная новизна работы состоит в следующем.
Рассчитаны карты ФЗЗ для одномерных фотонных кристаллов с оптическим контрастом в диапазоне от 3.42/1 до 3.42/1.7, с помощью
которых исследованы закономерности преобразования ФЗЗ для оптических гетероструктур, трехкомпонентных ФК, композитных ФК и резонансных структур, а также проанализировано их поведение при введении флуктуаций геометрических параметров и фокусировки пучка.
Рассчитаны карты зон прозрачности 1ФК, совмещенные с картами ФЗЗ, позволяющие моделировать конструкции 1ФК в координатах «структура–свойство».
Выявлено влияние случайно индуцированных флуктуаций геометрических параметров 1ФК на смещение и деформацию областей фотонных запрещенных зон, в том числе с появлением в них дефектных состояний.
Установлено, что при усреднении спектров, рассчитанных для наклонных углов падения излучения, узкие высокопорядковые полосы высокого отражения (соответствующие ФЗЗ) могут деформироваться и полностью подавляться из-за преобладающего вклада полос отражения для больших углов падения.
Предложено для получения существенно расширенной полосы высокого отражения на спектре применять близко расположенные ФЗЗ, характерные для сильноконтрастных 1ФК. Для этого используются два ФК с различными константами решетки, которые составляются в единую оптическую гетероструктуру с объединением нескольких фотонных запрещенных зон, что было продемонстрировано экспериментально.
Выявлена корреляция между оптической толщиной введенного третьего регулярного слоя в периодическую структуру «Si–воздух» и оптическим контрастом получающегося трехкомпонентного 1ФК. Таким образом, можно уменьшать оптический контраст и получить всенаправленную ФЗЗ в сильноконтрастном 1ФК.
Исследовано локальное подавление областей ФЗЗ на карте ФЗЗ трехкомпонентного 1ФК в зависимости от оптической толщины дополнительного слоя и появление на их месте областей прозрачности. В пределах этих областей выявлены широкие полосы пропускания на спектре, что было продемонстрировано экспериментально.
Исследована теоретически и экспериментально переориентация молекул ЖК при нагревании и при приложении электрического поля в одномерных ФК, полученных с помощью микроструктурирования на Si чипе, и достигнута управляемая электроподстройка края ФЗЗ с относительным сдвигом Δλ/λ до 1.6 %.
Предложено трансформировать 1ФК в резонатор Фабри-Перо путем введения жидкого кристалла в один из его периодов с образованием полости резонатора с оптической толщиной 0.8(λ/2), а для получения существенной (до 10 %) подстройки расчетных и экспериментальных пиков пропускания Δλ/λ – использовать резонансы высоких порядков.
Предложены и исследованы управляемые связанные резонаторы Фабри-Перо, находящиеся в структуре 1ФК на основе Si, в которых продемонстрировано влияние показателя преломления ЖК в индивидуальных полостях резонаторов на положение, сдвиг и подавление дефектных мод, а также на расщепление триплета резонансных пиков на дублет и монопик.