Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Проект направлен на решение проблемы создания новых устройств нанофотоники (дифракционных микро- и наноструктур), предназначенных для высокоэффективного преобразования пространственно-временных оптических сигналов и на разработку на этой основе элементной базы новых устройств сверхбыстрой оптической обработки информации и оптических вычислений. В соответствии с планом в 2014 году проводились исследования пространственных преобразований оптических пучков, реализуемых резонансными дифракционными структурами (дифракционными решётками и системами однородных слоёв), а также нанорезонаторов из магнитооптических материалов для возбуждения и амплитудной модуляции поверхностных плазмон-поляритонов. Для проведения данных исследований были созданы новые численные методы и программные средства, позволяющие моделировать и исследовать дифракцию оптического пучка на резонансных структурах нанофотоники, а также рассчитывать собственные моды дифракционных структур. Для решения дальнейших задач проекта по изготовлению и экспериментальному исследованию структур нанофотоники были отработаны технологические режимы наноструктурирования резистивных слоев для формирования дифракционных структур методом электронной литографии. Основными результатами выполнения этапа проекта 2014 года являются следующие: 1. Теоретическое описание пространственных преобразований, реализуемых резонансными дифракционными структурами (дифракционными решётками и системами однородных слоёв), обоснование возможности дифференцирования и интегрирования оптических пучков по пространственным координатам, оптического вычисления оператора Лапласа, решения дифференциальных уравнений (обыкновенных и в частных производных). 2. Численные методы и программные средства для расчёта резонансов (собственных мод) дифракционных структур нанофотоники, а также для решения на вычислительном кластере ряда прямых и обратных задач дифракции оптических сигналов на дифракционных структурах, в том числе: — расчёт резонансных дифракционных решёток и систем однородных слоёв для пространственного дифференцирования и интегрирования световых пучков, оптического вычисления оператора Лапласа в пространственных координатах и оптического решения дифференциальных уравнений; — расчёт микро- или нанорезонаторов из магнитооптического материала для возбуждения и амплитудной модуляции поверхностных плазмон-поляритонов. 3. Рассчитанные дифракционные структуры для пространственного дифференцирования и интегрирования световых пучков и для оптического вычисления оператора Лапласа, а также нанорезонаторы из магнитооптического материала для возбуждения и амплитудной модуляции поверхностных плазмон-поляритонов. 4. Технологические режимы наноструктурирования резистивных слоев для формирования дифракционных структур с минимальным размером деталей 150 нм методом электронной литографии. Результаты, приведённые в пунктах 1, 3, соответствуют мировому уровню исследований и впервые получены в настоящем проекте. Представленные результаты проекта имеют большую практическую значимость для создания новых устройств оптической обработки информации. В частности, предложенные и рассчитанные в проекте резонансные дифракционные структуры для вычисления оператора Лапласа, пространственного дифференцирования и интегрирования световых пучков позволяют эффективно реализовать ряд важных операций обработки изображений (выделение контуров, фильтрация шумов). При этом предлагаемые в проекте резонансные структуры можно рассматривать в качестве сверхкомпактных аналогов систем фурье-оптики (две линзы и дифференцирующий или интегрирующий фильтр) с толщиной сравнимой с длиной волны. По результатам исследований опубликовано 5 статей, индексируемых в базе Scopus. В том числе одна статья опубликована в журнале Optics Express (импакт фактор — 3,525), одна статья опубликована в журнале Optics Communications (импакт фактор — 1,542, статья вошла в номер 2015 года, но в электронном виде уже представлена на сайте журнала) и 3 статьи в журнале «Компьютерная оптика». Кроме того, три статьи находятся на рассмотрении в редакциях журналов.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Проект направлен на решение проблемы создания новых устройств нанофотоники (дифракционных микро- и наноструктур), предназначенных для высокоэффективного преобразования пространственно-временных оптических сигналов и на разработку на этой основе элементной базы новых устройств сверхбыстрой оптической обработки информации и оптических вычислений. В соответствии с планом в 2015 году были рассмотрены временные и пространственные преобразования поверхностных электромагнитных волн (блоховских поверхностных волн или поверхностных состояний фотонных кристаллов), реализуемые с помощью резонансных структур нанофотоники. Поверхностные электромагнитные волны рассматриваются в качестве перспективных носителей информации в системах оптической обработки информации «на чипе». На этапе 2015 года в рамках численного моделирования впервые была показана возможность эффективной реализации базовых операций пространственного и временного дифференцирования и интегрирования импульсов и пучков блоховских поверхностных волн, распространяющихся вдоль границы раздела между однородным диэлектриком и одномерным фотонным кристаллом. Для выполнения указанных операций было предложено использовать резонансную структуру, являющуюся аналогом брэгговской решётки с дефектным слоем (англ. phase-shifted Bragg grating) и соответствующую набору диэлектрических ступенек, расположенных на поверхности фотонного кристалла. В 2015 были проведены исследования микро- и нанорезонаторов из магнитооптического материала для управления амплитудой поверхностных плазмонов-поляритонов (ППП). На основе численного моделирования обнаружен новый резонансный магнитооптический эффект, состоящий в изменении интенсивности ППП, прошедшего через резонатор, и возникающий при намагничивании материала резонатора. Характерная величина эффекта составляет несколько процентов при размере резонатора в единицы микрон. Достигнутый результат открывает новые возможности для создания систем сверхбыстрой модуляции оптического излучения в геометрии «на чипе». Для проведения данных исследований были созданы новые численные методы и программные средства, позволяющие моделировать и исследовать дифракцию ПЭВ. Для решения задач проекта по изготовлению и экспериментальному исследованию структур нанофотоники, запланированных на 2016 год, на данном этапе проекта были отработаны технологические режимы трехмерного структурирования полимерных композиций методом двухфотонной фотополимеризации для формирования дифракционных структур. Основными результатами выполнения этапа проекта 2015 года являются следующие результаты: 1. Созданы программные средства для моделирования дифракции поверхностных электромагнитных волн на периодических структурах. 2. Разработано теоретическое описание, проведены расчёт и моделирование резонансных структур нанофотоники, осуществляющих временное дифференцирование и интегрирование поверхностных электромагнитных волн. 3. Разработано теоретическое описание, проведены расчёт и моделирование резонансных структур нанофотоники, осуществляющих пространственное дифференцирование и интегрирование поверхностных электромагнитных волн. 4. Проведены расчёт и моделирование микро- и нанорезонаторов из магнитооптического материала для управления распространением поверхностных плазмон-поляритонов. 5. Определены параметры технологических режимов трехмерного структурирования полимерных композиций методом двухфотонной фотополимеризации для формирования дифракционных структур. По результатам исследований опубликовано 9 статей, из которых 8 индексируются в базе Web of Science и 9 индексируются в базе Scopus. Статьи опубликованы в высокорейтинговых зарубежных и отечественных журналах, включающих Optics Express, Optics Letters, Physical Review A, Photonics and Nanostructures — Fundamentals and Applications, ЖЭТФ и другие.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проект направлен на решение проблемы создания новых устройств нанофотоники (дифракционных микро- и наноструктур), предназначенных для высокоэффективного преобразования пространственно-временных оптических сигналов и на разработку на этой основе элементной базы новых устройств сверхбыстрой оптической обработки информации и оптических вычислений. В соответствии с планом в 2016 году были теоретически описаны класс пространственно-временных преобразований двумерных оптических импульсов, реализуемых резонансными дифракционными решетками, и класс пространственно-временных преобразований трехмерных импульсов, реализуемых брэгговскими решетками с дефектным слоем (БРДС, англ. — phase-shifted Bragg gratings). Разработанные теоретические описания основаны на полученных в проекте пространственно-временных обобщениях профиля Фано. Для резонансной дифракционной решетки были получены «omega-kx» обобщения профиля Фано, когда коэффициенты отражения и пропускания резонансной структуры рассматриваются как функции от двух переменных — частоты omega и тангенциальной компоненты волнового вектора kx. Для БРДС резонансные аппроксимации были получены в общем трехмерном случае, когда коэффициенты отражения и пропускания рассматриваются как функции от угловой частоты omega и двух поперечных компонент волнового вектора kx, ky. На основе полученных аппроксимаций были разработаны теоретические модели, описывающие преобразования огибающей падающего оптического импульса при дифракции на резонансной дифракционной структуре (дифракционной решетке или БРДС). С использованием разработанных теоретических описаний и моделей были рассчитаны и в рамках вычислительного эксперимента исследованы резонансные дифракционные структуры для выполнения различных преобразований огибающих двумерных и трехмерных оптических импульсов, включающих дифференцирование и интегрирование огибающей импульса во времени, одновременное дифференцирование во времени и вычисление второй производной по пространственной переменной, вычисление оператора Лапласа по пространственным координатам, одновременное вычисление оператора Лапласа по пространственным координатам и дифференцирование во времени, а также более сложные преобразования, описываемые параболическим уравнением и уравнением Клейна-Гордона. На этапе 2016 были выполнены экспериментальные исследования дифракционных структур для выполнения пространственных преобразований оптических пучков и поверхностных электромагнитных волн. В частности, были изготовлены резонансные дифракционные решётки, представляющие собой диэлектрический волноводный слой (TiO2 или SiO), с расположенной на его поверхности дифракционной решёткой из электронного резиста. Структуры выполнены на кварцевой подложке c использованием методов реактивного магнетронного напыления и электронной литографии. Экспериментально показано, что рассчитанная и изготовленная структура позволяет дифференцировать профиль трёхмерного оптического пучка по пространственной переменной. Измерение профиля прошедшего оптического пучка показывает, что производная вычисляется с погрешностью, величина которой определяется точностью изготовления структуры. Предложена модель, описывающая возникающие погрешности при оптическом вычислении производной. Предложенная модель с высокой точностью описывает результаты эксперимента. По точности работы изготовленный пространственный оптический дифференциатор превосходит аналоги дифференциаторов на основе метаповерхностей, представленные в работе [A. Pors et al., Nano Lett. 15, 791 (2015)]. По сравнению с дифференциатором на основе фурье-кореллятора изготовленный оптический элемент существенно компактнее, так как не требует использования линз, осуществляющих в корреляторе оптическое вычисление преобразования Фурье. Также были рассчитаны, созданы и экспериментально исследованы дифракционные решетки «на чипе» для преобразований пучков поверхностных плазмон-поляритонов. Указанные решетки, представляющие собой периодический набор диэлектрических ступенек, были изготовлены из электронного резиста на поверхности пленки серебра методом электронной литографии. Для экспериментального исследования данных структур была собрана оптическая схема, реализующая метод микроскопии вытекающего излучения (англ. leakage radiation microscopy). Проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность изготовленных дефлекторов и делителей плазмонных пучков. Основными результатами выполнения этапа проекта 2016 года являются следующие результаты: 1. Теоретические описания класса пространственно-временных преобразований двумерных оптических импульсов, реализуемых резонансными дифракционными решетками, и класса пространственно-временных преобразований трехмерных импульсов, реализуемых брэгговскими решетками с дефектным слоем (БРДС, англ. — phase-shifted Bragg gratings). Разработанные теоретические описания основаны на полученных пространственно-временных обобщениях профиля Фано. 2. Результаты расчёта и компьютерного моделирования резонансных структур нанофотоники (дифракционных решеток и брэгговских решеток с дефектным слоем), реализующих различные пространственно-временные преобразования оптических сигналов (различные дифференциальные операторы). 3. Результаты экспериментальных исследований оптических свойств лабораторных образцов резонансных структур нанофотоники, предназначенных для выполнения пространственных преобразований оптических пучков и поверхностных электромагнитных волн. Результаты по пунктам 1–3 являются новыми и соответствуют мировому уровню исследований. Действительно, сравним результаты проекта с ближайшими научными конкурентами. В 2014 году в группе профессора Н. Энгеты (Университет Пенсильвании) было показано, что слой метаматериала со специально рассчитанной структурой позволяет выполнить ряд важных математических операций (дифференцирование и интегрирование оптического сигнала по пространственной координате, свертку сигнала с заданным ядром) [A. Silva et al., Science 343, 161 (2014)]. Указанная работа вызвала большой резонанс и послужила стимулом к разработке новых структур нанофотоники на основе метаматериалов и метаповерхностей для аналоговых оптических вычислений. В 2015 году в группе проф. С.И. Божевольного (Университет Южной Дании) был представлен первый эксперимент по созданию дифференциатора и интегратора по пространственной переменной на основе метаповерхности [A. Pors et al., Nano Lett. 15, 791 (2015)]. Таким образом, группы профессоров Н. Энгеты (Университет Пенсильвании) и С.И. Божевольного (Университет Южной Дании) являются ближайшими научными конкурентами. В настоящем проекте развивается подход, основанный на использовании в задачах аналоговых оптических вычислений резонансных дифракционных решеток и БРДС, в том числе в планарном варианте. В отличие от метаповерхностей, развиваемый подход имеет ряд важных преимуществ. По сравнению с метаповерхностями резонансные дифракционные решётки имеют более простую структуру, не требуют дополнительных элементов в виде линз. Отметим, что метаповерхности в указанных выше работах используются только для кодирования функции комплексного пропускания пространственного фильтра в фурье-корреляторе, в то время как резонансные дифракционные решетки и БРДС сами представляют собой сверхкомпактный аналог фурье-коррелятора с толщиной в единицы или даже доли длины волны. Кроме того, по сравнению с указанными работами в проекте продемонстрированы возможности реализации с помощью дифракционных решеток и БРДС значительно более широкого класса преобразований, включающего пространственно-временные дифференциальные операторы. Важно также отметить, что полученные в проекте экспериментальные результаты по реализации операции дифференцирования оптического сигнала по пространственной координате с помощью резонансной дифракционной решетки выглядят значительно лучше, чем результаты дифференцирования с использованием метаповерхности в работе [A. Pors et al., Nano Lett. 15, 791 (2015)]. По результатам исследований в 2016 году опубликовано 10 научных работ, из которых 5 статей индексируются в базе Web of Science и 6 работ индексируются в базе Scopus. Статьи опубликованы в высокорейтинговых зарубежных и отечественных журналах, включающих Optics Express, Journal of Optics, Доклады Академии Наук (Doklady Physics), Журнал технической физики (Technical Physics) и другие.