Z-11

Załącznik nr 11
do sprawozdania merytorycznego z realizacji projektu badawczego
Szybka nieliniowość fotorefrakcyjna w światłowodach
półprzewodnikowych do zastosowań w elementach optoelektroniki
zintegrowanej i telekomunikacji optycznej
Nr UMO-2011/01/B/ST7/06234
Teoretyczna analiza nieliniowej propagacji fal o
ograniczonym przekroju poprzecznym prowadzonych w
warstwie PMQW. Ocena możliwości generacji solitonów
przestrzennych, modelowanie numeryczne ich
propagacji i oddziaływań między nimi
Wykonawcy:
Andrzej Ziółkowski
Szczecin 2015
1
Zrealizowane w ramach zadania teoretyczne prace badawcze dotyczące analizy
nieliniowej propagacji światła w półprzewodnikowych strukturach falowodowych z
warstwą MQW podzielić można na trzy zagadnienia:

Po pierwsze, aby analiza nieliniowej propagacji światła w badanych strukturach
mogła być możliwa konieczne było przeprowadzenie prac na stworzeniem
odpowiedniej metody obliczeniowej umożliwiającej szczegółowe badania w tym
zakresie. Ponieważ procesy fizyczne zachodzące podczas oddziaływania światła z
fotorefrakcyjnymi strukturami półprzewodnikowymi są bardzo złożone (ich model
matematyczny oparty jest na układzie minimum siedmiu nieliniowych,
cząstkowych, silnie ze sobą sprzężonych równań różniczkowych) nie jest możliwe
rozwiązanie tego problemu w oparciu o techniki analityczne. W związku z
powyższym opracowano metodę numeryczną dającą możliwość szczegółowej
analizy
procesów
fizycznych
zachodzących
w
półprzewodnikach
charakteryzujących się bipolarnym transportem nośników oraz efektem gorących
elektronów. Szczegóły stworzonego algorytmu przedstawiono w publikacjach:
A. Ziółkowski, “Numerical approach to nonlinear propagation of light in
photorefractive media”, Computer Physics Communications 185, 504 (2014). (nr 5
w spisie publikacji )
A. Ziółkowski, “The numerical complex approach to analysis of nonlinear
propagation of light in photorefractive media”, 50 Years of Nonlinear Optics, NLO
50 International Symposium, Barcelona, Spain 2012.

Drugim zagadnieniem podjętym w ramach realizacji zadania były zrealizowane w
oparciu o opracowaną metodę szczegółowe badania procesów fizycznych
zachodzących podczas propagacji światła we wspomnianych materiałach. Podczas
badań stwierdzono, że gaussowska wiązka laserowa oddziałując z analizowaną
strukturą, powinna generować odpowiedź fotorefrakcyjną charakteryzującą się
silną nielokalnością przestrzenną. W szczególności wykryto, że charakterystyczne
dla wytworzonych struktur: bipolarny transport nośników jak i efekt gorących
elektronów przyczyniają się do silnej asymetrii rozkładu pola elektrycznego
generowanego przez symetryczną wiązkę gaussowską. Idąc dalej stwierdzono
możliwość zakrzywiania toru propagacji wiązek solitonowych w oparciu o ten
mechanizm. Jest to nowa, nie oparta na wykorzystywanym w tym celu zjawisku
dyfuzji, możliwość sterowania zakrzywieniem wiązki laserowej. Szczegóły badań
przedstawione zostały w publikacjach:
A. Ziółkowski, “ Self-bending of light in semiconductors with hot-electron effect”,
Optics Express 22, 4, 4599-4605 (2014) (nr 6 w spisie publikacji ).
A. Ziołkowski, "Self-deflection of optical beams in semiconductors with hotelectron effect", 14th Conference on Photorefractive Effects, Materials and
Devices, 4-6 September, Winchester, UK 2013.

Trzecim zagadnieniem podjętym w ramach realizacji zadania były działania
pozwalające na uwzględnienie efektów nielokalności czasowej. Ten typ
nielokalności jest niezwykle istotny szczególnie w kontekście oceny szybkości
przełączania sygnałów optycznych w analizowanych strukturach. Aby efekty
2
nielokalności czasowej były poprawnie uwzględniane w opracowanej metodzie
numerycznej zaproponowano dwa nowe podejścia obliczeniowe. Z porównania
pierwotnej i zmodyfikowanej metody wynika, że uwzględnienie efektów
nielokalności czasowej nie wpływa na stwierdzone wcześniej zjawiska
zakrzywiania toru wiązek solitonowych. Ma jednak, czego należało się
spodziewać, istotny wpływ na czas odpowiedzi fotorefrakcyjnej. Szczegóły
przeprowadzonych w tym obszarze badań przedstawione zostały w publikacji:
A. Ziółkowski, “Numerical method for an analysis of nonlinear light propagation
in photorefractive media - time nonlocal approach”, Optics Express 22, S7, A1907
– A1925 (2014) (nr 7 w spisie publikacji )
.
3