Оптический планарный волновод на основе слоистого метаматериала
Паняев И.С., Санников Д.Г.

Ульяновский государственный университет, Ульяновск, Россия

Аннотация:
Рассмотрены направляющие свойства оптического волновода на основе слоистого метаматериала, образованного слоями намагниченного до насыщения железо-иттриевого граната и алюмо-иттриевого граната. С помощью приближения эффективной среды и решения граничной задачи (электромагнитного метода), а также используя матричный метод 4×4, получены дисперсионные уравнения для волноводных TE- и TM-мод в структуре. Найдены дисперсионные спектры зависимости константы распространения от циклической частоты для разных типов структур, а также коэффициенты локализации ортогональных мод в направляющем слое, и проведен их сравнительный анализ. Показаны преимущества приближенного электромагнитного метода по сравнению с точным матричным методом 4×4. Результаты работы могут найти применение при создании новых интегрально-оптических устройств обработки оптических сигналов на основе слоистого метаматериала.

Ключевые слова:
оптический волновод, слоистый метаматериал, фотонный кристалл.

Цитирование:
Паняев, И.С.
Оптический планарный волновод на основе слоистого магнитоактивного метаматериала / И.С. Паняев, Д.Г. Санников // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 5. – С. 807-815. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-5-807-815.

Литература:

    1. Гончаренко, А.М. Основы теории оптических волноводов / А.М. Гончаренко, В.А. Карпенко. – Москва: Эдиториал УРСС, 2004. – 240 с. – ISBN: 5-354-00818-2.
    2. Yeh, C. The essence of dielectric waveguides / C. Yeh, F.I. Shimabukuro. – New York: Springer Science+Business Media, 2008. – 529 p. – ISBN: 978-0-387-30929-3.
    3. Panyaev, I.S. Four-layer nanocomposite structure as an effective optical waveguide switcher for near-IR regime / I.S. Panyaev, N.N. Dadoenkova, Y.S. Dadoenkova, I.A. Rozhleys, M. Krawczyk, I.L. Lyubchanskii, D.G. Sannikov // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2016. – Vol. 49, Issue 43. – 435103 (10 p). – DOI: 10.1088/0022-3727/49/43/435103.
    4. Dutta, H.S. Coupling light in photonic crystal waveguides: A review / H.S. Dutta, A.K. Goyal, V. Srivastava, S. Pal // Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications. – 2016. – Vol. 20. – P. 41-58. – DOI: 10.1016/j.photonics.2016.04.001.
    5. Schulz, S.A. Dispersion engineered slow light in photonic crystals: A comparison / S.A. Schulz, L. O’Faolain, D.M. Beggs, T.P. White, A. Melloni, T.F. Krauss // Journal of Optics. – 2010. – Vol. 12, Issue 10. – 104004 (5 p). – DOI: 10.1088/2040-8978/12/10/104004.
    6. Shen, H. One-dimensional photonic crystals: fabrication, responsiveness and emerging applications in 3D construction / H. Shen, Z. Wang, Y. Wu, B. Yang // RSC Advances. – 2016. – Vol. 6, Issue 6. – P. 4505-4520. – DOI: 10.1039/C5RA21373H.
    7. Bian, L.-A. Characterization for one-dimensional graphene-embedded photonic crystals at terahertz frequencies / L.-A. Bian, P. Liu, G. Li, Z. Lu, C. Liu // Optical and Quantum Electronics. – 2016. – Vol. 48. – 436 (15 p). – DOI: 10.1007/s11082-016-0707-7.
    8. Al-Sheqefi, F.U.Y. Photonic band gap characteristics of one-dimensional graphene-dielectric periodic structures / F.U.Y. Al-Sheqefi, W. Belhadj // Superlattices and Microstructures. – 2015. – Vol. 88. – P. 127-138. – DOI: 10.1016/j.spmi.2015.09.009.
    9. Madani, A. Optical properties of one-dimensional photonic crystals containing graphene sheets / A. Madani, S. Roshan Entezar // Physica B Condensed Matter. – 2013. – Vol. 431. – P. 1-5. – DOI: 10.1016/j.physb.2013.08.041.
    10. Tolmachev, V.A. Design of one-dimensional composite photonic crystals with an extended photonic band gap / V.A. Tolmachev, T.S. Perova, K. Berwick // Journal of Applied Physics. – 2006. – Vol. 99. – 033507 (5 p). – DOI: 10.1063/1.2165401.
    11. Celanovic, I. Design and optimization of one-dimensional photonic crystals for thermophotovoltaic applications / I. Celanovic, F. O’Sullivan, M. Ilak, J. Kassakian, D. Perreault // Optics Letters. – 2004. – Vol. 29, Issue 8. – P. 863-865. – DOI: 10.1364/OL.29.000863.
    12. Lyubchanskii, I.L. Magnetic photonic crystals / I.L. Lyubchanskii, N.N. Dadoenkova, M.I. Lyubchanskii, E.A. Sha­povalov, Th. Rasing // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2003. – Vol. 36, Issue 18. – P. R277-R287. – DOI: 10.1088/0022-3727/36/18/R01.
    13. Belotelov, V.I. Magneto-optical properties of photonic crystals / V.I. Belotelov, A.K. Zvezdin // Journal of the Optical Society of America B. – 2005. – Vol. 22, Issue 1. – P. 286-292. – DOI: 10.1364/JOSAB.22.000286.
    14. Dadoenkova, N.N. Complex waveguide based on a magneto-optic layer and a dielectric photonic crystal / N.N. Dadoenkova, I.S. Panyaev, D.G. Sannikov, Y. Dadoenkova, I.A. Rozhleys, M. Krawczyk, I.L. Lyubchanskii // Superlattices and Microstructures. – 2016. – Vol. 100. – P. 45-56. – DOI: 10.1016/j.spmi.2016.08.050.
    15. Sylgacheva, D. Transverse magnetic field impact on waveguide modes of photonic crystals / D. Sylgacheva, N. Khokhlov, A. Kalish, S. Dagesyan, A. Prokopov, A. Shaposhnikov, V. Berzhansky, M. Nur-E-Alam, M. Vasiliev, K. Alameh, V. Belotelov // Optics Letters. – 2016. – Vol. 41, Issue 16. – P. 3813-3816. – DOI: 10.1364/OL.41.003813.
    16. Sylgacheva, D.A. Magnetic control of waveguide modes of Bragg structures / D.A. Sylgacheva, N.E. Khokhlov, A.N. Kalish, V.I. Belotelov // Journal of Physics: Conference Series. – 2016. – Vol. 714, Issue 1. – 12016. – DOI: 10.1088/1742-6596/714/1/012016.
    17. Anemogiannis, E. Multilayer waveguides: efficient numerical analysis of general structures / E. Anemogiannis, E.N. Glytsis // Journal of Lightwave Technology. – 1992. – Vol. 10, Issue 10. – P. 1344-1351. – DOI: 10.1109/50.166774.
    18. Inoue, M. Magnetophotonic crystals / M. Inoue, R. Fujikawa, A. Baryshev, A. Khanikaev, P. Lim, H. Uchida, O. Aktsipetrov, A. Fedyanin, T. Murzina, A. Granovsky // Journal of Physics D. Applied Physics. – 2006. – Vol. 39. – P. R151-R161. – DOI: 10.1088/0022-3727/39/8/R01.
    19. Inoue, M. Magnetophotonics: From theory to applications / M. Inoue, A.V. Baryshev, M. Levy. – Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. – 228 p. – ISBN: 978-3-642-35508-0.
    20. Zvezdin, A.K. Modern magnetooptics and magnetooptical materials / A.K. Zvezdin, V.A. Kotov. – New York: Taylor & Francis Group, 1997. – 404 p. – ISBN: 978-0-7503-0362-X.
    21. Inoue, M. Magneto-optical properties of one-dimensional photonic crystals composed of magnetic and dielectric layers / M. Inoue, K. Arai, T. Fujii, M. Abe // Journal of Applied Physics. – 1998. – Vol. 83, Issue 11. – P. 6768-6770. – DOI: 10.1063/1.367789.
    22. Priye, V. Analysis and design of a novel leaky YIG film guided wave optical isolator / V. Priye, B.P. Pal, K. Thyagarajan // Journal of Lightwave Technology. – 1998. – Vol. 16, Issue 2. – P. 246-250. – DOI: 10.1109/50.661017.
    23. Valligatla, S. High quality factor 1-D Er3+-activated dielectric microcavity fabricated by RF-sputtering / S. Valligatla, A. Chiasera, S. Varas, N. Bazzanella, D.N. Rao, G.C. Righini, M. Ferrari // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 19. – P. 21214-21222. – DOI: 10.1364/OE.20.021214.
    24. Tamir, T. Integrated optics / T. Tamir. – Berlin: Springer, 1975. – 327 p. – ISBN: 978-0-662-43210-5.
    25. Boudrioua, A. Photonic waveguides: Theory and applications / A. Boudrioua. – London: Wiley-ISTE, 2009. – 320 p. – ISBN: 978-1-848-21027-1.
    26. Rytov, S.M. Electromagnetic properties of a finely stratified medium / S.M. Rytov // Soviet Physics Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 1956. – Vol. 2, No 3. – P. 446-475.
    27. Brekhovskikh, L.M. Waves in layered media. 2nd ed. L.M. Brekhovskikh. – New York: Academic, 1980. – 503 p. – ISBN: 978-0-12-130560-4.
    28. Agranovich, V.M. Dielectric permeability and influence of external fields on optical properties of superlattices / V.M. Agranovich // Solid State Communications. – 1991. – Vol. 78, Issue 8. – P. 747-750. – DOI: 10.1016/0038-1098(91)90856-Q.
    29. Санников, Д.Г. Анизотропный планарный волновод со слоисто-периодическим заполнением / Д.Г. Санников, Д.И. Семенцов // Международная Научно-практическая конференция «Оптика неоднородных структур 2011». – 2011. – C. 77-80.
    30. Dadoenkova, N.N. One-dimensional dielectric bi-periodic photonic structures based on ternary photonic crystals / N.N. Dadoenkova, Y.S. Dadoenkova, I.S. Panyaev, D.G. Sannikov, I.L. Lyubchanskii // Journal of Applied Physics. – 2018. – Vol. 123, Issue 4. – P. 1-9. – DOI: 10.1063/1.5011637.
    31. Zelmon, D.E. Refractive-index measurements of undoped yttrium aluminum garnet from 0.4 to 5.0 μm / D.E. Zelmon, D.L. Small, R. Page // Applied Optics. – 1998. – Vol. 37, Issue 21. – P. 4933-4935. – DOI: 10.1364/AO.37.004933.
    32. Johnson, B. The infra-red refractive index of garnet ferrites / B. Johnson, A.K. Walton // British Journal of Applied Physics. – 1965. – Vol. 16, Issue 4. – P. 475-477. – DOI: 10.1088/0508-3443/16/4/310.
    33. Torfeh, M. Theoretical analysis of hybrid modes of magnetooptical waveguides / M. Torfeh, H. Le Gall // Physica Status Solidi. – 1981. – Vol. 63, Issue 1. – P. 247-258. – DOI: 10.1002/pssa.2210630133.
    34. Sposito, A. Pulsed laser deposition of high-quality μm-thick YIG films on YAG / A. Sposito, T.C. May-Smith, G.B.G. Stenning, P.A.J. de Groot, R.W. Eason // Optical Materials Express. – 2013. – Vol. 3, Issue 5. – P. 624-632. – DOI: 10.1364/OME.3.000624.
    35. Mizoguchi, Y. Film synthesis of Y3Al5O12 and Y3Fe5O12 by the spray-inductively coupled plasma technique / Y. Mizoguchi, M. Kagawa, Y. Syono, T. Hirai // Journal of the American Ceramic Society. – 2001. – Vol. 84, Issue 3. – P. 651-653. – DOI: 10.1111/j.1151-2916.2001.tb00717.x.

    © 2009, IPSI RAS
    Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20