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»).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы разработки новых структур фотоники для платформы блоховских поверхностных волн (БПВ) — поверхностных волн, распространяющихся по границе одномерного фотонного кристалла, а также для «конкурирующей» интегральной платформы мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Целью проекта являются теоретическое описание, расчёт и исследование новых интегральных структур фотоники, «поддерживающих» высокодобротные резонансы и обладающих новыми функциональными свойствами, позволяющими эффективно реализовать различные операции оптической фильтрации и обработки информации в геометрии «на чипе». Запланированные на этап 2023 года работы были выполнены, ожидаемые научные результаты были получены. Основными результатами выполнения проекта в 2023 году являются следующие: 1. Результаты расчета и численного исследования оптических фильтров на основе композитных дифракционных решеток на платформе БПВ. Исследуемые фильтры состояли из набора одинаковых интегральных субволновых резонансных решеток, имеющих единичное отражение на некоторой частоте. При расчете фильтров расстояния между решетками были рассмотрены как параметры оптимизации критерия, определяющего условие формирования пика отражения квазипрямоугольной формы, описываемого квадратом модуля передаточной функции фильтра Баттерворта. Для решения оптимизационной задачи был разработан подход, основанный на формализме матрицы рассеяния и позволяющий эффективно решать задачу дифракции БПВ на композитной структуре. С использованием описанного подхода были рассчитаны узкополосные спектральные и пространственные фильтры, имеющие квазипрямоугольную форму резонансного пика. 2. Результаты расчета, теоретического и численного исследования резонансных композитных дифракционных решеток на платформе мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. Результаты их сравнительного анализа с аналогичными структурами на платформе БПВ. Резонансные свойства композитных решеток, состоящих из нескольких интегральных резонансных дифракционных решеток, были описаны в рамках формализма матрицы рассеяния для платформы мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов. На основе теоретического анализа было получено, что, аналогично платформе БПВ, в исследуемых структурах на «волноводной» платформе возникают связанные состояния в континууме «высоких порядков» типа Фабри–Перо и аналог эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности. Полученные теоретические результаты были подтверждены результатами численного моделирования. С использованием оптимизационного метода были рассчитаны узкополосные оптические фильтры на основе композитных решеток, имеющие квазипрямоугольную форму спектрального пика отражения. Был проведен сравнительный анализ оптических свойств композитных решеток для волноводных мод со свойствами аналогичных структур на платформе БПВ. 3. Теоретическое описание и результаты численного исследования эффектов полного поглощения и полного когерентного поглощения для планарных МДМ-структур на платформах БПВ и мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов в общем «двухволновом» случае. В рамках моделей связанных волн были получены уравнения, описывающие эффекты полного поглощения и полного когерентного поглощения в интегральных структурах «металл-диэлектрик-металл» (МДМ-структурах). Исследуемые структуры представляли собой пару металлических «полосок», погруженных в верхний слой фотонного кристалла или в волноводный слой. Предполагалось, что в области между металлическими полосками «поддерживается» т.н. двухволновой режим, т.е. существуют две волноводные моды или БПВ различных поляризаций. Полученные теоретические результаты были подтверждены результатами расчета и численного моделирования МДМ-структур, которые продемонстрировали наличие указанных эффектов поглощения для рассматриваемых платформ. 4. Результаты расчета и численного исследования композитных МДМ-структур для платформ БПВ и мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов, имеющих нуль отражения заданного порядка. Под композитными МДМ-структурами понимаются структуры, состоящие из нескольких одиночных МДМ-структур, которые представляют из себя пару металлических «полосок», погруженных в верхние слои фотонного кристалла или в волноводный слой. Для рассматриваемых платформ были рассчитаны композитные структуры, имеющие нули отражения различных порядков, и исследованы в рамках вычислительного эксперимента в качестве оптических дифференциаторов и поглощающих пространственных фильтров. В частности, было показано, что двойные МДМ-структуры, имеющие нули отражения 2-го порядка, позволяют эффективно осуществить оптическое вычисление 2-ой производной. 5. Созданные образцы МДМ-структур и результаты экспериментального исследования их резонансных оптических свойств и возможности их использования в качестве оптических дифференциаторов и абсорберов. В неинтегральной геометрии (для оптического излучения, распространяющегося в свободном пространстве) был рассчитан оптический дифференциатор на основе трехслойной МДМ-структуры. На установке вакуумного напыления тонких пленок были изготовлены образцы МДМ-структур. Возможность использования созданных структур для оптического дифференцирования была подтверждена в оптическом эксперименте. Было экспериментально исследовано применение одиночных и двойных МДМ-структур в качестве абсорберов оптического излучения. 6. Результаты теоретического и численного исследования выполнения операции пространственно-временного дифференцирования с помощью планарных МДМ-структур на платформах БПВ и мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов и результаты исследования возможности формирования с помощью таких структур оптических сигналов, содержащих пространственно-временные оптические вихри. Была получена передаточная функция (ПФ), описывающая преобразование огибающей пространственно-временного импульса, распространяющегося в плоскопараллельном волноводе или по поверхности фотонного кристалла, происходящее при отражении от структуры, соответствующей набору металлических полосок, «погруженных» в волноводный слой или в верхние слои фотонного кристалла. Было показано, что если структура имеет нуль отражения, то в интервале линейности ПФ огибающая отраженного импульса соответствует взвешенной сумме производных по времени и по пространственной координате от огибающей падающего импульса (т.е. оптически реализуется операция пространственно-временного дифференцирования). Были рассчитаны МДМ-структуры для пространственно-временного дифференцирования и на основе результатов численного моделирования показаны их хорошие рабочие характеристики. В случае симметричного волновода была исследована возможность формирования пространственно-временных оптических вихрей (ОВ). Было показано, что если ПФ структуры имеет вид пространственно-временного дифференциатора (т.е. имеет линейный вид по пространственной и угловой частотам) и при этом между коэффициентами при линейных членах у ПФ имеется разность фаз Пи/2, то огибающая отраженного импульса будет содержать пространственно-временной ОВ во всех компонентах электромагнитного поля. Результаты численного моделирования рассчитанной структуры показали формирование пространственно-временного ОВ, а также его сохранение при дальнейшем распространении. Полученные результаты соответствуют мировому уровню исследований по тематике проекта. По результатам исследований в 2023 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. статья в журнале “Optics Express” из первого квартиля (Q1) рейтинга “Scimago Journal & Country Rank”. Результаты проекта в 2023 году докладывались в 10 докладах (1 приглашенном, 7 устных и 2 стендовых) на международных и всероссийских конференциях по оптике и фотонике (в т.ч. “Days on Diffraction 2023” и “META 2023”).