Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы разработки и создания новых резонансных структур фотоники на платформе блоховских поверхностных волн (БПВ), распространяющихся по границе одномерного фотонного кристалла (ФК). Целью проекта являются теоретическое описание, расчёт, компьютерное моделирование, создание и экспериментальное исследование новых резонансных структур фотоники на платформе блоховских поверхностных волн, «поддерживающих» высокодобротные резонансы и обладающих новыми функциональными свойствами, позволяющими эффективно реализовать различные операции оптической обработки информации в геометрии «на чипе». Все запланированные на этап проекта 2019 года работы были выполнены полностью, все запланированные в отчетном году научные результаты были достигнуты. Основными результатами выполнения этапа проекта 2019 года являются следующие результаты: 1. Предложены и исследованы эффективные механизмы подавления паразитного рассеяния блоховских поверхностных волн при дифракции на планарных (интегрированных «на чипе») дифракционных структурах. Было предложено два подхода к подавлению паразитного рассеяния при дифракции БПВ на планарных элементах нанофотоники. Первый подход заключается в оптимизации геометрии ФК из условия, чтобы поперечные профили БПВ в области элемента нанофотоники и вне его были максимально близкими. Несмотря на достигаемое уменьшение потери на паразитное рассеяние, практическое применение этого метода затруднительно в связи с необходимостью использования различных ФК в области элемента и вне его, что делает изготовление таких структур крайне сложным. Второй подход применим к элементам нанофотоники, состоящим из протяженных ступенек и/или выемок на поверхности ФК и работает в геометрии наклонного падения БПВ. Данный подход основан на выборе геометрии слоев ФК, обеспечивающей достаточно широкие фотонные запрещенные зоны, и при превышении некоторого «критического» угла падения БПВ позволяет полностью устранить потери на паразитное рассеяние. Данный подход лишен недостатков первого подхода и применим к «реалистичным» (экспериментально реализуемым) структурам на платформе БПВ. 2. Выявлены и теоретически описаны механизмы формирования высокодобротных резонансов и связанных состояний в континууме в «простых» планарных структурах для блоховских поверхностных волн, соответствующих малому числу ступенек и/или выемок на поверхности фотонного кристалла. Предложено и исследовано два типа элементов нанофотоники для БПВ, в которых существуют высокодобротные резонансы. Оба типа структур работают в геометрии наклонного падения БПВ и используют второй из предложенных методов подавления паразитного рассеяния БПВ. Первый тип структур представляет собой «W-структуру», состоящую из двух выемок на поверхности верхнего слоя ФК, ограничивающих центральную ступеньку. Второй тип структур представляет собой «единичную» диэлектрическую ступеньку на поверхности ФК. В первом типе структур высокодобротные резонансы проявляются в виде узких пиков пропускания, во втором — пиков отражения. На основе результатов численного моделирования обнаружено и на основе теоретической модели связанных волн строго подтверждено, что во втором типе структур существуют связанные состояния в континууме (моды с бесконечной добротностью). 3. Создана установка микроскопии вытекающего излучения для последующего экспериментального исследования интегральных структур нанофотоники на платформе блоховских поверхностных волн. Работоспособность созданной экспериментальной установки проверена и подтверждена на «тестовых» планарных элементах нанофотоники для поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся вдоль границы раздела металл/диэлектрик (поверхностных плазмон-поляритонов). В качестве источника излучения был использован лазер с длиной волны, лежащей в видимом диапазоне. Созданная установка содержит два микрообъектива (в т.ч. иммерсионный), делительный кубик, набор линз, зеркал и камеру. Принцип работы установки основан на регистрации излучения, «вытекающего» в прозрачную подложку при распространении поверхностной электромагнитной волны. Реализованная установка микроскопии вытекающего излучения позволяет непосредственно визуализировать картину дифракции поверхностной электромагнитной волны на планарных элементах нанофотоники, выполненных на поверхности распространения, а также наблюдать изображение в фурье-пространстве (пространстве волновых векторов). 4. Теоретически исследованы и описаны механизмы формирования высокодобротных резонансов и связанных состояний в континууме в «композитных» структурах, состоящих из нескольких идентичных резонансных структур. Теоретический анализ проведен для исходных структур, имеющих резонанс с симметричной лоренцевой формой. Применение формализма матрицы рассеяния в предположении, что соседние резонансные структуры связаны одним открытым каналом рассеяния, позволило получить условия, накладываемые на расстояния между резонансными структурами, при которых возможно получение интересных и важных с практической точки зрения резонансных оптических свойств. В частности, для композитных структур, состоящих из резонансных структур с пиком в пропускании, получено условие реализации «оптических» аналогов (или аппроксимаций) известных в электронике фильтров Баттерворта. Для композитных структур, состоящих из резонансных структур с пиком в отражении, получены условия существования связанных состояний в континууме типа Фабри-Перо. Установлено, что в окрестности связанных состояний в континууме наблюдается эффект, аналогичный эффекту электромагнитно-индуцированной прозрачности (узкие резонансные пики пропускания на фоне широкого минимума). Результаты 1–2 и 4, полученные в рамках этапа 2019 года, соответствуют мировому уровню исследований. Результат 3 носит вспомогательный характер и необходим для экспериментальных исследований резонансных структур для блоховских поверхностных волн, запланированных на последующие этапы проекта. По результатам исследований в 2019 году опубликовано (или принято к печати) 6 работ, в т.ч. 3 работы опубликовано в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) рейтинга “Journal Citation Reports” (JCR) в категории «Оптика» (1 статья в журнале “Photonics Research” и 2 статьи в журнале “Optics Express”). Были представлены доклады (в том числе приглашенный) на международных конференциях “METANANO 2019” и “ITNT-2019”.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы разработки и создания новых резонансных структур фотоники на платформе блоховских поверхностных волн (БПВ) — поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся по поверхности одномерного фотонного кристалла (ФК). Целью проекта являются теоретическое описание, расчёт, компьютерное моделирование, создание и экспериментальное исследование новых резонансных структур фотоники на платформе блоховских поверхностных волн, «поддерживающих» высокодобротные резонансы и обладающих новыми функциональными свойствами, позволяющими эффективно реализовать различные операции оптической обработки информации в геометрии «на чипе». Все запланированные на этап проекта 2020 года работы были выполнены полностью, все запланированные в отчетном году научные результаты были достигнуты. Основными результатами выполнения этапа проекта 2020 года являются следующие результаты: 1. Разработаны новые теоретические модели для описания оптических свойств резонансных дифракционных структур для блоховских поверхностных волн (планарных аналогов дифракционных решеток и слоистых структур). Разработанные модели представляют собой т.н. модели связанных волн и предназначены для описания оптических свойств ряда важных классов планарных дифракционных структур для БПВ, распространяющихся по поверхности одномерных диэлектрических фотонных кристаллов, в частности, планарных аналогов «высококонтрастных» субволновых дифракционных решеток и субволновых дифракционных решеток с волноводным слоем. В рамках созданных моделей описываемая структура представляется в виде набора границ раздела, поле в каждом слое между которыми представляется в виде малого числа распространяющихся волн. Структура в этом случае описывается «модельной» матрицей рассеяния малой размерности, из которой можно получить аналитические выражения для ее коэффициентов отражения и пропускания. Коэффициенты, входящие в разработанные модели, могут быть рассчитаны на основе строгого численного решения задачи дифракции БПВ на каждой из границ раздела, либо на основе перехода к «обычным» (не интегральным) дифракционным структурам, в которых в качестве показателей преломления используются эффективные показатели преломления БПВ в соответствующих областях интегральной структуры. Последний подход в общем случае носит приближенный характер, однако позволяет на несколько порядков ускорить расчеты по сравнению со строгим моделированием планарных дифракционных структур для БПВ. 2. Разработанные теоретические модели были верифицированы на основе сравнения результатов моделей с результатами строгого численного моделирования дифракции БПВ на исследуемых структурах. На основе моделирования в рамках строгой электромагнитной теории дифракции с использованием собственной эффективной реализации метода фурье-мод было установлено, что разработанные модели связанных волн, основанные на переходе к «обычным» (не интегральным) дифракционным решеткам, позволяют качественно предсказать спектры отражения и пропускания планарных дифракционных решеток для БПВ. По причине высокой вычислительной сложности для численного моделирования исследуемых структур применялись параллельные вычисления, в т.ч. на вычислительном кластере «Сергей Королев» Самарского университета, к которому имеют доступ участники проекта. Было показано, что в случае, когда планарные структуры работают в режиме, обеспечивающем отсутствие потерь на «паразитное» рассеяние БПВ, модели предсказывают спектры отражения и пропускания не только качественно, но и с высокой точностью количественно. 3. Теоретически исследованы и описаны механизмы формирования высокодобротных резонансов и связанных состояний в континууме в планарных дифракционных решетках для БПВ. На основе разработанных теоретических моделей выявлены и описаны механизмы формирования высокодобротных резонансов и связанных состояний в континууме в исследуемых планарных дифракционных решетках для БПВ. В рассматриваемых структурах ССК являются связанными состояниями в континууме типа Фридриха-Винтгена и формируются за счет взаимодействия (интерференции) БПВ, соответствующих различным порядкам дифракции в волноводном слое решетки, взаимодействия БПВ-мод различных поляризаций, или интерференции нескольких мод самой интегральной дифракционной решетки. Сравнение с результатами строгого численного моделирования показало, что в случае, когда исследуемые решетки работают в режиме, в котором отсутствует паразитное рассеяние БПВ, разработанные модели позволяют с высокой точностью предсказать положения резонансов и ССК в пространстве изменяемых параметров. В случае наличия паразитного рассеяния ССК переходят в локальные максимумы добротности, а добротность резонансов в целом существенно снижается. Однако, модели и в этом случае позволяют адекватно предсказать положение резонансов и максимумов добротности в пространстве параметров. 4. Созданы и экспериментально исследованы методом микроскопии вытекающего излучения «тестовые» оптические элементы для БПВ, состоящие из малого числа ступенек на поверхности фотонного кристалла. Созданные «тестовые» элементы представляли собой две или три протяженные диэлектрические ступеньки из электронного резиста, выполненные на поверхности одномерного диэлектрического фотонного кристалла. Первая ступенька освещалась лазерным пучком и использовалась для возбуждения БПВ. Последняя ступенька использовалась для «вывода» БПВ. Между двумя указанными ступеньками могла находиться дополнительная ступенька, на которой происходила дифракция БПВ. Для исследования созданных тестовых элементов использовалась установка микроскопии вытекающего излучения, созданная на предыдущем этапе проекта. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возбуждение БПВ, паразитное рассеяние БПВ при дифракции на центральной ступеньке, а также вывод БПВ последней диэлектрической ступенькой. 5. Рассчитаны и исследованы высококонтрастные дифракционные решетки для поверхностных плазмон-поляритонов. Исследованные высококонтрастные решетки для ППП представляли собой периодический набор кремниевых «столбиков» на поверхности металла. На основе строгого численного моделирования было показано, что при использовании предложенного участниками проекта метода подавления паразитного рассеяния ППП, обеспечивающего частичное согласование поперечного профиля электромагнитного поля ППП в столбиках решетки и вне их, достижима высокая эффективность отражающих высококонтрастных интегральных решеток (отражение, превышающее 85%) в широком спектральном диапазоне (с шириной 100–200 нм) как при нормальном, так и при наклонном падении. Результаты 1–3 и 5, полученные в рамках этапа 2020 года, соответствуют мировому уровню исследований. Результат 4 носит вспомогательный характер и необходим для экспериментальных исследований резонансных структур для блоховских поверхностных волн, запланированных на следующий этап проекта. По результатам исследований в 2020 году опубликовано (или принято к печати) 6 работ, индексируемых в базах данных “Scopus” и “Web of Science”, в т.ч. 3 статьи опубликованы в журналах “Nanophotonics”, “Optics Letters” и “Journal of the Optical Society of America B”, входящих в первый квартиль (Q1) рейтинга SJR в категории “Atomic and Molecular Physics, and Optics”. Были представлены доклады (в том числе приглашенные) на международных конференциях “METANANO 2020”, “TNTN2020” и “ITNT-2020”.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Настоящий проект направлен на решение фундаментальной проблемы разработки и создания новых резонансных структур фотоники на платформе блоховских поверхностных волн (БПВ) — поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся по границе одномерного фотонного кристалла (ФК). Целью проекта являются теоретическое описание, расчёт и исследование исследование новых резонансных структур фотоники на платформе блоховских поверхностных волн, «поддерживающих» высокодобротные резонансы и обладающих новыми функциональными свойствами, позволяющими эффективно реализовать различные операции оптической обработки информации в геометрии «на чипе». Запланированные на этап проекта 2021 года работы были выполнены, запланированные в отчетном году научные результаты были достигнуты. Основными результатами выполнения этапа проекта 2021 года являются следующие результаты: 1. Разработаны и теоретически и численно исследованы спектральные и пространственные фильтры для БПВ на основе планарных аналогов резонансных дифракционных решеток. Спектральные и пространственные (угловые) фильтры были рассчитаны для падающих БПВ с длиной волны в свободном пространстве из видимого или ближнего инфракрасного диапазона. Рассчитанные фильтры представляли собой планарные аналоги бинарных дифракционных решеток с субволновым периодом, состоящие из периодического набора диэлектрических «столбиков» на поверхности одномерного ФК. Было показано, что в случае, когда предложенные интегральные структуры работают в «режиме» без паразитного рассеяния вблизи связанных состояний в континууме (ССК — особых невытекающих мод структур с открытыми каналами рассеяния), возможно получение существенно субнанометровых резонансных спектральных пиков отражения (а также угловых пиков с шириной в сотые доли градуса и менее). 2. Рассчитаны и теоретически исследованы делители и дефлекторы пучка для БПВ на основе интегральных дифракционных решеток. Было показано, что несубволновые решетки, работающие в геометрии наклонного падения, в которых распространяющимися являются не только нулевые, но и –1-е отраженные и прошедшие порядки дифракции, также могут работать в режиме без паразитного рассеяния. Это достигается в определенном диапазоне периодов и углов падения вблизи т.н. конфигурации Литрова, в которой направления распространения падающей волны и –1-го отраженного порядка дифракции строго противоположны друг другу. Были рассчитаны нерезонансные делители или дефлекторы пучка, работающие в пропускании с эффективностью (суммарной интенсивностью нулевого и –1-го прошедших порядков дифракции), близкой к единичной. Кроме того, было показано, что в несубволновой решетке «на чипе», работающей в геометрии Литрова, могут существовать высокодобротные резонансы и ССК. Была разработана модель связанных волн, подтвердившая появление ССК и позволяющая предсказать их положение в пространстве параметров. Установлено, что вблизи резонансов энергия падающей БПВ делится практически поровну между четырьмя распространяющимися порядками дифракции. В этом случае интегральная структура может быть использована как резонансный «четырехканальный» делитель пучка БПВ. 3. Теоретически и численно исследованы резонансные волноводные решетки для поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) и выполнен сравнительный анализ их рабочих характеристик и характеристик аналогичных решеток для БПВ. Были рассчитаны и исследованы резонансные волноводные решетки для ППП, представляющие собой периодический набор диэлектрических «столбиков», находящихся непосредственно перед протяженной диэлектрической ступенькой и расположенных на поверхности металла. Было показано, что оптические свойства таких структур для ППП качественно близки к свойствам «обычных» дифракционных решеток с волноводным слоем. Установлено, что при использовании однослойных решеток для ППП (диэлектрик на поверхности металла) в резонансных условиях резко возрастает «паразитное» рассеяние ППП с поверхности распространения, достигая 50–70% энергии падающего ППП. Однако при применении подхода к подавлению паразитного рассеяния, заключающегося в переходе к двухслойным структурам, удается уменьшить потери на рассеяние до величины 5–15%. Исследованные планарные аналоги резонансных дифракционных решеток с волноводным слоем работают как при малых углах падения (в т.ч. при нормальном падении), так и при существенно наклонном падении. Был проведен сравнительный анализ резонансных волноводных решеток для ППП с аналогичными решетками для БПВ. Показано, что устранение паразитного рассеяния для решеток для БПВ достижимо только при относительно высоких углах падения. В этом заключается основное (помимо пренебрежимо малых потерь на поглощение в случае БПВ) отличие резонансных волноводных решеток «на чипе» на платформах ППП и БПВ. 4. Выбраны, созданы и экспериментально исследованы интегральные резонансные дифракционные структуры для БПВ. Изготовленные дифракционные структуры на платформе БПВ представляли собой протяженные диэлектрические ступеньки или субволновые бинарные дифракционные решетки «на чипе», расположенные на поверхности одномерного фотонного кристалла. Структуры были рассчитаны для центральной длины волны 632.8 нм и были изготовлены из электронного резиста на поверхности одномерного фотонного кристалла, состоящего из 5 периодов (пар чередующихся слоев оксида тантала(V) и диоксида кремния) на стеклянной подложке. Наблюдение БПВ, отраженных и прошедших через исследуемые структуры, осуществлялось через регистрацию излучения, выводимого дифракционными решетками-«каплерами», которые так же, как и сами интегральные структуры, были выполнены из электронного резиста и рассчитаны из условия возбуждения (и вывода) БПВ в 1-м порядке дифракции. Экспериментальные результаты, полученные с использованием перестраиваемой лазерной системы, к которой имеют доступ участники проекта, качественно подтвердили наличие резонансных пиков отражения в спектрах (частотных и угловых) диэлектрических структур, расположенных на поверхности фотонного кристалла, что подтверждает потенциальную возможность их использования в качестве интегральных оптических фильтров для БПВ. Полученные результаты соответствуют мировому уровню исследований по тематике проекта. По результатам выполнения проекта в 2021 году было опубликовано или принято к печати 10 работ, индексируемых в базах Web of Science и/или Scopus, в т.ч. 5 статей в рецензируемых журналах, из которых 3 статьи — в журналах первого квартиля JCR и/или SJR. При этом одна статья была опубликована в журнале Nanophotonics (импакт-фактор 8.449) и одна статья — в журнале Optics Express (импакт-фактор 3.894). Результаты проекта в 2021 году докладывались в 8 докладах на международных и всероссийских конференциях по оптике и нанофотонике (в частности, на конференциях “METANANO-2021”, “ITNT-2021” и «Волны-2021»), в т.ч. в 2 пленарных, 2 приглашенных и 4 устных докладах.