Высокодобротные оптические микрорезонаторы на основе локализованных оптических состояний континуума

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-12-01581

НазваниеВысокодобротные оптические микрорезонаторы на основе локализованных оптических состояний континуума

Руководитель Иорш Иван Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова локализованные оптические состояния континуума, диэлектрические фотонные структуры, нанофотоника, режим сильной связи, оптические коммуникации, радиационные потери, гибридные перовскиты, органо-неорганические соединения

Код ГРНТИ29.33.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В основе предлагаемого проекта лежит фундаментальная проблема эффективного управления и локализации света. Решение этой актуальной проблемы имеет огромное прикладное значение, обусловленное широким кругом потенциальных приложений. Эти приложения особенно важны в информационных технологиях, в частности, для оптических коммуникаций и в биологии для создания высокочувствительных сенсоров. Конкретную задачу предлагаемого научного проекта составляют теоретический анализ, разработка и создание высокодобротных резонаторов на основе локализованных оптических состояний с энергиями, лежащими внутри светового конуса, которые могут быть интегрированы в планарные оптические микросхемы. Сама идея, что радиационные потери оптических состояний с энергиями, лежащими внутри светового конуса, могут равняться нулю, является достаточно новой [D.C. Marinica et al. PRL 100, 183902 (2008)]. Она нашла экспериментальное подтверждение в 2011 году [Y. Plotnik et al. PRL 107, 183901 (2011)]. Основными преимуществами локализованных оптических состояний непрерывного спектра являются: (i) высокая добротность, которая ограничена только потерями в материалах и на шероховатостях фотонных структур; (ii) планарность и простота геометрии резонаторов; (iii) возможность возбуждения исследуемых состояний плоской электромагнитной волной без дополнительных инструментов (призм, дефектов, дифракционных решеток и т.д.), так как их энергии лежат внутри светового конуса. Предлагаемый проект будет включать полный цикл исследований: от создания теоретических моделей, компьютерного моделирования и разработки дизайнов фотонных микрорезонаторов, до их изготовления, экспериментальной характеризации и исследования возможностей практического использования. В ходе выполнения проекта планируется: 1. Теоретически и экспериментально исследовать связанные состояния континуума в видимом и инфракрасном диапазонах в: а) одиночных и периодических фотонных структурах, изготовленных из кремния; б) периодических низкоиндексных (с показателем преломления ~1.5) фотонных структурах, напечатанных методом трехмерной двухфотонной лазерной полимеризации; в) активных периодических фотонных структурах, изготовленных на основе гибридных (органо-неорганических) перовскитов методом наноимпринт литографии. 2. Теоретически и экспериментально исследовать высокодобротные оптические резонансы, возникающие вследствие деструктивной интерференции двух утекающих мод с близкими частотами, в одиночных открытых диэлектрических резонаторах субволнового размера. 3. Исследовать влияние шероховатостей, беспорядка, конечности размеров образца и нарушения его симметрии на добротность связанных оптических состояний континуума. 4. Теоретически исследовать режим сильной связи между экситоном в квантовой яме и связанным оптическим состоянием континуума в фотонной наноструктуре с квантовыми ямами. 5. Проанализировать влияние бистабильности и модуляционной неустойчивости на связанные состояния континуума в нелинейных периодических фотонных структурах. Новизна предлагаемого проекта заключается в том, что впервые подробно будет проанализировано влияние конечности размера периодических структур, флуктуаций их порядка, шероховатостей, материальных потерь и подложки на спектр связанных состояний континуума. Эти факторы играют ключевую роль, когда речь идет о возможности практических приложений. Тем не менее, их анализ в современной литературе представлен весьма скудно и, как правило, позволяет сделать лишь качественные оценки. Новизна предлагаемого проекта также подчеркивается тем, что: (i) впервые фотонные структуры, поддерживающие связные состояния континуума, будут созданы из полимеров - напечатаны методом трехмерной двухфотонной лазерной полимеризации; (ii) впервые будут созданы активные фотонные структуры со связанными состояниями континуума на основе гибридных перовскитов - новых органо-неорганических соединений, крайне перспективных для задач оптоэлектроники и фотовольтаики; (iii) впервые будет построена теория экситон-поляритона, образующегося вследствие взаимодействия экситона с локализованным оптическим состоянием континуума. Коллектив, подобранный для выполнения проекта, включает теоретиков, специалистов по численному моделированию, технологов и экспериментаторов, способных осуществить все стадии проекта: от выдвижения научной гипотезы и ее теоретического анализа до практической реализации прототипа и его всестороннего экспериментального исследования. Несмотря на то, что все исполнители проекта моложе 32 лет, его участники обладают большим опытом в решении подобных задач. В распоряжении коллектива есть широкий спектр оборудования для компьютерного моделирования, создания опытных образцов и экспериментального исследования их оптических свойств. Совокупность опыта коллектива в реализации масштабных международных научных проектов, его профессионализма, детально продуманного плана проекта, наличия необходимого оборудования и имеющегося научного задела позволяют утверждать, что поставленные задачи будут полностью решены, а полученные результаты опубликованы в ведущих научных изданиях и широко востребованы международным научным сообществом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Luca Carletti, Кирилл Кошелев, Costantino De Angelis, and Юрий Кившар Giant Nonlinear Response at the Nanoscale Driven by Bound States in the Continuum PHYSICAL REVIEW LETTERS, Том: 121 Выпуск: 3 Номер статьи: 033903 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevLett.121.033903

2. М. Балезин, З. Садриева, М. Беляков, П. Капитанова, А. Садриев и А. Богданов Bound state in the continuum in 1D chain ofdielectric disks: theory and experiment Journal of Physics: Conference Series, vol. 1092, pp. 012012 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012012

3. З.Ф. Задриева и А.А. Богданов Effect of finite lateral size of dielectric grating onoptical bound state in the continuum Journal of Physics: Conference Series, vol. 1092, pp. 012127 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012127

4. С.Д. Красиков, А.А. Богданов и И.В. Иорш Nonlinear bound states in the continuum of a one-dimensional photonic crystal slab Physical Review B, Том: 97 Выпуск: 22 Номер статьи: 224309 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.97.224309

5. К.Л. Кошелев, С.К. Сычев, З.Ф. Садриева, А.А. Богданов и И.В. Иорш Strong coupling between excitons in transition metal dichalcogenides and optical bound states in the continuum PHYSICAL REVIEW B, Том: 98 Выпуск: 16 Номер статьи: 161113 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.161113

6. Кошелев К., Богданов А., Гладышев С., Садриева З., Рыбин М., Самусев К., Лимонов М., Ю. Кившарь Strong Mode Coupling and High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators Proceedings of CLEO, JTh2A.73 (год публикации - 2018)
10.1364/CLEO_AT.2018.JTh2A.73

7. А. Богданов, К. Кошелев, П. Капитанова, М. Рыбин, С Гладышев, З. Садриева, К. Самусев, Ю. Кившарь, М. Лимонов Bound states in the continuum and Fano resonances in the strong mode coupling regime Advanced Photoncis (год публикации - 2019)

8. Е. Тигунцева, З. Садриева, Б. Строганов, Ю. Капитонов, Ф. Комиссаренко, Р. Харольдсон, Б. Балачадран, В. Ху, К. Гу, А. Заходов, А. Богданов, С. Макаров Enhanced Temperature-Tunable Narrow-Band Photoluminescence from Resonant Perovskite Nanograting Applied Surface Science (год публикации - 2019)

9. Садриева З.Ф., Беляков М.А., Балезин М.А., Капитанова П.В., Ненашева Е.А., Садреев А.Ф., Богданов А.А. Experimental observation of a symmetry-protected bound state in the continuum in a chain of dielectric disks Physical Review A, Phys. Rev. A, vol. 99, no. 5, p. 053804, May 2019. (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevA.99.053804

10. Кошелев К.Л., Танг Ю., Ли К., Чой Д.-Ю., Ли Г., Кившарь Ю.С. Nonlinear Metasurfaces Governed by Bound States in the Continuum ACS Photonics, ACS Photonics 2019, 6, 7, 1639-1644 (2019) (год публикации - 2019)
10.1021/acsphotonics.9b00700

11. Колодный С., Иорш И.В. Q/V enhancement of Si micropillar resonator with Bragg reflectors in BIC regime Optics Letters, Optics Letters (год публикации - 2019)

12. Маркез И.,Юдин Д.,Шелых И. А., Серидонио А. К. Resonant electron tunneling spectroscopy of antibonding states in a Dirac semimetal Physical Review B, Physical Review B, 97, 23, 235121 (2018) (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.97.235121

13. Погорельская Л. Ю., Богданов А. А., Самусев К. Б., Синельник А. Д., Садриева З. Ф. Bound state in the continuum supported by a low refractive index contrast waveguide in a woodpile structure Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series – Т. 1092. – №. 1. – С. 012118 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012118

14. Кошелев К. Л., Богданов А. А., Гладышев С. А., Садриева З. Ф., Капитанова П. В., Рыбин М. В., Самусев К. Б., Лимонов М. Ф., Кившар Ю. С. High-Q supercavity states in high-index subwavelength all-dielectric resonators 2018 Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-Toyama), IEEE, 2018 Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-Toyama), IEEE, 2027-2031 (2018) (год публикации - 2018)
10.23919/PIERS.2018.8598239

15. Богданов А. А., Садриева З. Ф., Синев И. С., Самусев А. К., Иорш И. В., Кошелев К. Л., Такаяма О., Малуреану Р., Лавриненко А. В. Destruction of symmetry protected optical bound state in the continuum by high-index substrate and roughnesses 11th International Congress on Engineered Materials Platforms for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), IEEE, 11th International Congress on Engineered Materials Platforms for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), IEEE, 34-36 (2017) (год публикации - 2018)
10.1109/MetaMaterials.2017.8107811

16. Зарина Ф. Садриева, Ю. Капитонов, Б. Балачандран, Q. Gu, W. Hu, Сергей В. Макаров и Андрей А. Богданов Photoluminescence behavior of nanoimprinted halide perovskite at low temperatures AIP Conference Proceedings, 1874, 030029 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4998058

17. Михаил В. Рыбин, Кирилл Л. Кошелев, Зарина Ф. Садриева, Кирилл Б. Самусев, Андрей А. Богданов, Михаил Ф. Лимонов и Ю. С. Кившар High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators Physical Review Letters (год публикации - 2017)

18. И. Маркес, А.Е. Обиспо, Л.С. Рикко, М. де Соуза, И.А. Шелых, А.К. Серидонио локализованное состояние континуума, Дироковский полуметалл Physical Review B, том 96, выпуск 4, стр. 041112 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.96.041112

19. З.Ф. Садриева, И.С. Синев, А.К. Самусев, И.В. Иорш, К.Л. Кошелев, O. Takayama, R. Malureanu, А.В. Лавриненко и А.А. Богданов Effect of substrate on optical bound states in the continuum in 1D photonic structures AIP Conference Proceedings, 1874, 030005 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4998034

20. К.Л. Кошелев и А.А. Богданов Theory of Fano Resonance for Scattering Spectrum of All-dielectric Spherical Resonators AIP Conference Proceedings, 1874, 030020 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4998049

Публикации

11. Колодный С., Иорш И.В. Q/V enhancement of Si micropillar resonator with Bragg reflectors in BIC regime Optics Letters, Optics Letters (год публикации - 2019)

Публикации

11. Колодный С., Иорш И.В. Q/V enhancement of Si micropillar resonator with Bragg reflectors in BIC regime Optics Letters, Optics Letters (год публикации - 2019)