КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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.

НазваниеРезонансные структуры интегральной нанофотоники на платформе блоховских поверхностных волн

РуководительДосколович Леонид Леонидович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук", г Москва

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35)

Аннотация
В настоящее время фотоника рассматривается в качестве основного научного направления, призванного обеспечить дальнейшее развитие вычислительных систем за счет создания альтернативы электронным компонентам или дополнения к ним. При этом элементы нанофотоники рассматриваются как новая платформа для электронно-оптических систем передачи и обработки информации. В этой связи ведущие научные университеты и исследовательские центры компаний-производителей вычислительной техники (IBM, Intel, NEC, Cisco) активно развивают технологии создания компонентов вычислительных систем, в которых в качестве информационных носителей используются оптические сигналы вместо электрических. Эффект оптического резонанса является краеугольным камнем фотоники и используется в широком классе фотонных устройств с уникальными оптическими свойствами [M.F. Limonov et al., Nat. Photon. 11, 543 (2017)]. При этом резонансные дифракционные решетки и многослойные структуры представляют особый интерес благодаря наличию в них широкого спектра экстраординарных оптических эффектов, возникающих в условиях резонанса. Наибольший интерес с точки зрения возможности интеграции с электронными компонентами представляют планарные (или интегральные) аналоги резонансных дифракционных структур, допускающие реализацию в геометрии на «чипе». В Проекте 2019, выполнявшемся в 2019–2021 гг., были предложены и исследованы планарные аналоги резонансных дифракционных решеток и слоистых структур для интегральной платформы блоховских поверхностных волн (БПВ), распространяющихся по границе одномерного диэлектрического фотонного кристалла. Результаты Проекта 2019 соответствуют мировому уровню, что подтверждается публикациями по проекту в ведущих научных журналах (см. пункт 1.9). В то же время, масштаб научной проблемы, состоящей в разработке и исследовании планарных резонансных структур нанофотоники, заведомо не исчерпывается результатами Проекта 2019. В Проекте 2022, планирующемся к выполнению в 2022–2023 гг., будет решен ряд новых актуальных задач, включающих, с одной стороны, разработку новых резонансных структур на платформе БПВ с новыми резонансными свойствами и, с другой стороны, разработку и исследование планарных аналогов резонансных дифракционных решеток для «конкурирующей» интегральной платформы мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. В частности, в Проекте 2022 впервые будут исследованы «композитные» планарные дифракционные решетки (ДР) на платформе блоховских поверхностных волн, состоящие из нескольких последовательно расположенных резонансных ДР для БПВ на поверхности одномерного фотонного кристалла. В отличие от одиночных планарных ДР, в композитных ДР будет существовать одновременно несколько высокодобротных резонансов и/или связанных состояний в континууме (особый класс собственных мод, не затухающих во времени), что даст новые, уникальные возможности для контроля формы спектров отражения и пропускания таких структур. По мнению участников проекта, на основе «композитных» планарных ДР могут быть созданы новые интегральные фильтры с заданной (например, прямоугольной) формой спектрального пика, имеющего существенно субволновую ширину. Такие фильтры представляют большой интерес в задачах создания интегральных систем для высокоточного спектрального анализа. В Проекте 2022 также будут выполнены исследования резонансных свойств планарных ДР для конкурирующей интегральной платформы мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов, которая также привлекает большой интерес исследователей. На данной платформе будут исследованы не только «единичные» планарные ДР, представляющие собой периодический набор диэлектрических «столбиков» (или выемок) на поверхности волноводного слоя, но и композитные ДР, состоящие из нескольких последовательно расположенных планарных ДР. Ожидаемые результаты исследований по данной задаче можно отчасти рассматривать как «перенос» результатов Проекта 2019 на платформу мод плоскопараллельных волноводов. При этом в проекте будет проведен сравнительный анализ резонансных структур для двух платформ, что, по мнению участников проекта, представляет большой научный и практический интерес. В Проекте 2019 рассматривались диэлектрические планарные резонансные структуры. В Проекте 2022 будут предложены и исследованы новые металлодиэлектрические резонансные структуры для БПВ, являющиеся планарными аналогами резонансных металлодиэлектрических слоистых структур. Отличительными особенностями металлодиэлектрических структур являются резонансные эффекты, связанные с полным поглощением оптического излучения. Такие эффекты имеют большую научную и практическую значимость и, очевидно, в силу отсутствия поглощения не наблюдались в рассмотренных в Проекте 2019 диэлектрических структурах. В частности, резонансные эффекты полного поглощения оптического излучения и т.н. эффекты полного когерентного поглощения представляют большой интерес для широкого класса научных областей, включающих оптическую сенсорику, фотовольтаику, дизайн оптических фильтров, абсорберов и источников оптического излучения, устройств электромагнитного экранирования и др. Одной из наиболее простых и в то же время широко используемых металлодиэлектрических структур является трехслойная структура «металл-диэлектрик-металл» (МДМ-структура), состоящая из диэлектрического слоя и 2-х металлических слоёв-обкладок. Эффект резонансного поглощения света в данной структуре связан с возбуждением собственных мод, локализованных в диэлектрическом слое между поглощающими металлическими слоями. МДМ-структуры широко используются в качестве абсорберов света, оптических фильтров и устройств для оптической обработки информации (в частности, для оптического дифференцирования). В Проекте 2022 для платформы БПВ впервые будет исследован планарный аналог МДМ-структуры в виде двух металлических ступенек (полосок) на поверхности фотонного кристалла. Ожидается, что будет продемонстрирована возможность использования планарной МДМ-структуры в качестве абсорбера, частотного (пространственного) фильтра и устройства для оптического дифференцирования импульсов и пучков БПВ. В проекте также будет теоретически обоснован и в рамках вычислительного эксперимента продемонстрирован эффект полного когерентного поглощения для планарной МДМ-структуры. Данный эффект имеет большое значение при создании «управляемых светом» оптических переключателей, модуляторов и т.н. логических вентилей. Помимо исследования «одиночных» МДМ-структур для БПВ, в проекте впервые будут предложены и исследованы композитные МДМ-структуры, состоящие из нескольких последовательно расположенных планарных МДМ-структур. В таких структурах, состоящих из набора металлических ступенек (полосок) на поверхности фотонного кристалла, будет существовать одновременно несколько резонансов на близких частотах, что даст новые возможности для контроля формы спектра отражения или поглощения. Результаты теоретических исследований планарных МДМ-структур будут дополнены результатами экспериментальных исследований, включающими создание планарных МДМ-структур и экспериментальное исследование их оптических свойств. Таким образом, заявленные в проекте исследования обладают научной новизной, соответствуют мировым трендам и имеют мировой уровень.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается получение следующих основных результатов: 1. Теоретическое описание резонансных свойств композитных дифракционных решеток на платформе БПВ. 2. Результаты расчета и исследования в рамках вычислительного эксперимента композитных дифракционных решеток на платформе БПВ и оптических фильтров на их основе. 3. Результаты расчета, теоретического и численного исследования резонансных дифракционных решеток (в т.ч. композитных) на платформе мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Результаты их сравнительного анализа с аналогичными структурами на платформе БПВ. 4. Теоретическое описание резонансного эффекта полного поглощения излучения в планарной МДМ-структуре в геометрии наклонного падения, обеспечивающей отсутствие потерь на «паразитное» рассеяние БПВ. 5. Результаты расчета и исследования в рамках вычислительного эксперимента абсорберов, фильтров и дифференциаторов в виде планарных МДМ-структур. 6. Теоретическая модель, описывающая получение нуля заданного порядка в спектре отражения композитной МДМ-структуры. 7. Результаты расчета и исследования в рамках вычислительного эксперимента композитных МДМ-структур для платформы БПВ и для оптического излучения, распространяющегося в свободном пространстве. 8. Теоретическое описание и результаты исследования в рамках вычислительного эксперимента эффекта полного когерентного поглощения для планарной МДМ-структуры. 9. Созданные образцы планарных МДМ-структур и результаты экспериментального исследования эффекта резонансного оптического поглощения. Ожидаемые результаты проекта обладают научной новизной и соответствуют мировому уровню. Действительно, в проекте впервые будут теоретически описаны и исследованы композитные дифракционные решетки, состоящие из нескольких последовательно расположенных интегральных резонансных дифракционных решеток, как для платформы БПВ, так и для интегральной платформы мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Благодаря наличию и взаимодействию нескольких высокодобротных резонансов, данные структуры будут иметь значительно более широкий спектр резонансных эффектов по сравнению с одиночными интегральными решетками. В частности, в проекте предполагается описать и исследовать резонансные эффекты, включающие возникновение связанных состояний в континууме «высоких порядков» типа Фабри–Перо, аналог эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности (англ. electromagnetically induced transparency), а также получение существенно субволновых спектральных пиков квазипрямоугольной формы. В проекте впервые будет предложена, теоретически и экспериментально исследована планарная МДМ-структура на платформе БПВ. При этом будет продемонстрирована возможность её использования в качестве абсорбера, частотного (пространственного) фильтра и оптического дифференциатора. Для планарной МДМ-структуры впервые будет теоретически обоснован и продемонстрирован эффект полного когерентного поглощения (coherent perfect absorption), имеющий большое значение при создании «управляемых светом» оптических переключателей и модуляторов. Помимо исследования «одиночных» МДМ-структур для БПВ, в проекте впервые будут предложены и исследованы композитные МДМ-структуры, состоящие из нескольких планарных МДМ-структур. В таких структурах, как и в композитных решетках, будет существовать одновременно несколько резонансов на близких частотах, что даст новые возможности для контроля формы спектра отражения или поглощения. В частности, будет продемонстрирована возможность получения в спектре отражения нуля заданного порядка. Данный результат имеет большую важность в задачах расчета планарных абсорберов и дифференциаторов для оптического вычисления производных высших порядков. Прикладная значимость результатов проекта состоит в том, что они послужат основой для разработки новых устройств для оптической обработки информации и оптических вычислений в геометрии на «чипе». По результатам исследований будет опубликована серия статей. На каждом из годовых этапов 2022 и 2023 гг. планируется публикация 4 статей. Все статьи будут опубликованы в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и/или «Скопус» (Scopus). В том числе не менее 4 статей (за весь период выполнения проекта) планируется опубликовать в журналах из первого квартиля (Q1) рейтингов JCR и/или SJR. Поскольку в соответствии с конкурсной документацией (пункт 14.2) публикация из журнала первого квартиля учитывается как две публикации, в пункте 1.7 заявлена публикация 12 работ.

Аннотация результатов, полученных в 2022 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 границе одномерного фотонного кристалла, а также аналогичных структур для «конкурирующей» интегральной платформы мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Целью проекта являются теоретическое описание, расчёт и исследование новых резонансных интегральных структур фотоники, «поддерживающих» высокодобротные резонансы и обладающих новыми функциональными свойствами, позволяющими эффективно реализовать различные операции оптической фильтрации и оптической обработки информации в геометрии «на чипе». Запланированные на этап 2022 года работы были выполнены, ожидаемые научные результаты были получены. Основными результатами выполнения проекта в 2022 году являются следующие: 1. Теоретическое описание резонансных свойств композитных дифракционных решеток на платформе БПВ, результаты верификации теоретических результатов на основе сравнения с результатами строгого численного моделирования. Разработанное описание было основано на использовании формализма матрицы рассеяния, позволяющего на основе матрицы рассеяния одиночной структуры получить аналитические выражения для коэффициентов отражения и пропускания композитной структуры. На основе анализа полученных выражений был описан ряд возникающих резонансных эффектов, в частности, связанные состояния в континууме «высоких порядков» типа Фабри–Перо, аналог эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности и получение узких спектральных пиков квазипрямоугольной формы. Теоретические результаты были верифицированы на основе численного моделирования в рамках строгой электромагнитной теории дифракции. 2. Результаты расчета, теоретического и численного исследования «одиночных» резонансных дифракционных решеток на платформе мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Результаты сравнительного анализа оптических свойств данных решеток со свойствами аналогичных структур на платформе БПВ. Модели связанных волн, разработанные в проекте 2019 для описания резонансных дифракционных решеток для платформы БПВ, были адаптированы для решеток на платформе мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Полученные теоретические результаты были верифицированы на основе численного моделирования в рамках строгой электромагнитной теории дифракции. Результаты моделирования подтвердили применимость разработанных моделей для платформы мод плоскопараллельных волноводов и высокую точность предсказания положения резонансов и связанных состояний в континууме в пространстве параметров. Был проведен сравнительный анализ оптических свойств решеток для волноводных мод со свойствами аналогичных структур на платформе БПВ. 3. Теоретическое описание эффекта резонансного поглощения излучения в планарной МДМ-структуре в геометрии наклонного падения, обеспечивающей отсутствие потерь на «паразитное» рассеяние БПВ или моды плоскопараллельного волновода. На основе моделей связанных волн были теоретически описаны резонансные эффекты полного (и когерентного полного) поглощения излучения в планарных МДМ-структурах на платформах БПВ и мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Исследуемые структуры представляли собой пару металлических «полосок», погруженных в верхний слой фотонного кристалла или волноводный слой. Теоретические результаты были подтверждены на основе сравнения результатов моделей с результатами строгого численного моделирования методом фурье-мод. 4. Результаты расчета и исследования в рамках вычислительного эксперимента абсорберов, фильтров и дифференциаторов в виде планарных МДМ-структур на платформах БПВ и мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. На основе интегральных МДМ-структур, обеспечивающих нулевое отражение падающего излучения, были рассчитаны и численно исследованы поглощающие спектральные и пространственные фильтры для БПВ и мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Для рассмотренных примеров с рабочими длинами волн из видимого диапазона характерные ширины спектральных и угловых пиков поглощения (минимумов отражения) составили 1–40 нм и 0.1–10° соответственно. Было показано, что указанные планарные структуры могут быть использованы в качестве дифференциаторов профиля падающего оптического сигнала по времени или пространственной координате. 5. Теоретическая модель, описывающая получение нуля заданного порядка в спектре отражения композитной «неинтегральной» МДМ-структуры. С использованием формализма матрицы рассеяния была разработана теоретическая модель, описывающая возможность получения нуля заданного порядка в спектре отражения композитной МДМ-структуры, состоящей из нескольких «одиночных» МДМ-структур, разделенных диэлектрическими слоями. На этапе 2022 года модель была разработана для структур, ориентированных на работу с излучением, распространяющимся в свободном пространстве. На основе модели были получены условия получения нуля отражения заданного порядка в композитной МДМ-структуре по угловой или пространственной частоте. 6. Результаты расчета и исследования в рамках вычислительного эксперимента композитных «неинтегральных» МДМ-структур, имеющих нуль отражения заданного порядка и работающих с излучением, распространяющимся в свободном пространстве. С использованием разработанной модели были рассчитаны и исследованы «неинтегральные» композитные МДМ-структуры, имеющие в спектре отражения нуль заданного порядка. Результаты моделирования подтвердили теоретические результаты предыдущего пункта. Было показано, что композитные МДМ-структуры могут быть использованы в качестве абсорберов и временных или пространственных дифференциаторов оптических сигналов. В частности, были рассчитаны композитные структуры, обеспечивающие вычисление производных по времени второго и третьего порядка огибающей падающего импульса, а также производных по пространственной координате второго и четвертого порядка профиля падающего пучка. 7. Результаты исследования возможности выполнения операции пространственно-временного дифференцирования оптических сигналов и формирования пространственно-временных оптических вихрей с помощью МДМ-структур. Была теоретически установлена и численно подтверждена возможность выполнения с помощью МДМ-структур операции т.н. пространственно-временного дифференцирования падающего оптического сигнала, т.е. вычисления дифференциального оператора, соответствующего линейной комбинации производных по времени и по пространственной координате профиля падающего сигнала. Была показана возможность формирования с помощью МДМ-структур отраженных оптических сигналов, содержащих т.н. пространственно-временные оптические вихри. Также была показана возможность применения МДМ-структур для «выделения контуров» падающего пространственно-временного оптического сигнала. Полученные результаты соответствуют мировому уровню исследований по тематике проекта. По результатам исследований в 2022 году было опубликовано или принято к печати 6 статей в рецензируемых журналах, индексируемых в базах данных “Web of Science” и/или “Scopus”, в т.ч. опубликовано две статьи в журналах из первого квартиля (Q1) рейтинга “Scimago Journal & Country Rank” в категории “Atomic and Molecular Physics, and Optics”: Optics Letters и Physical Review A. Результаты проекта в 2022 году докладывались в 3 устных докладах на следующих конференциях по оптике и нанофотонике: XIX Международной конференции по голографии и прикладным оптическим технологиям “HOLOEXPO 2022”, VIII Международной конференции и молодежной школе «Информационные технологии и нанотехнологии» («ИТНТ-2022») и XXXIII Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления: физика и применения» имени профессора А.П. Сухорукова («Волны-2022»).

Публикации

1. Безус Е.А., Быков Д.А., Досколович Л.Л. Total absorption and coherent perfect absorption in metal–dielectric–metal resonators integrated into a slab waveguide Optics Letters, Том 47, выпуск 17, стр. 4403-4406 (год публикации - 2022).

2. Безус Е.А., Быков Д.А., Кадомина Е.А., Досколович Л.Л. Integrated resonant diffraction gratings for Bloch surface waves Optical Memory and Neural Networks, - (год публикации - 2022).

3. Досколович Л.Л., Кашапов А.И., Безус Е.А., Быков Д.А. Optical properties of cascaded metal-dielectric-metal structures and their application to the differentiation of optical signals Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, Том 52, номер статьи 101069 (год публикации - 2022).

4. Досколович Л.Л., Кашапов А.И., Безус Е.А., Быков Д.А. Spatiotemporal optical differentiation and vortex generation with metal-dielectric-metal multilayers Physical Review A, Том 106, выпуск 3, номер статьи 033523 (год публикации - 2022).

5. Кашапов А.И., Безус Е.А., Быков Д.А., Головастиков Н.В., Досколович Л.Л. Broadband light absorbers based on multilayer metal-insulator-metal structures Научно-технические ведомости санкт-петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки, - (год публикации - 2022).

6. Кашапов А.И., Безус Е.А., Быков Д.А., Досколович Л.Л. Оптический дифференциатор второго порядка на основе композитной структуры металл-диэлектрик-металл Известия российской академии наук. Серия физическая, - (год публикации - 2023).