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 19-19-00514

НазваниеРезонансные структуры интегральной нанофотоники на платформе блоховских поверхностных волн

РуководительДосколович Леонид Леонидович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс Конкурс 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).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словананофотоника, дифракционная оптика, интегральная оптика, дифракция, поверхностная электромагнитная волна, фотонный кристалл, блоховская поверхностная волна, резонанс, профиль Фано, связанное состояние в континууме, дифракционная решетка, волноводная мода, метод фурье-мод, спектральная и пространственная фильтрация

Код ГРНТИ29.31.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


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.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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) https://doi.org/10.1364/OL.470962

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, Том 31, стр. 8-13 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3103/S1060992X22050034

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) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2022.101069

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) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.033523

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, Том 15, выпуск 3.2, стр. 184–189 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18721/JPM.153.234

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, Том 87, выпуск 1, стр. 19-24 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S036767652270003X


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”).

 

Публикации

1. Досколович Л.Л., Кашапов А.И., Безус Е.А., Головастиков Н.В., Быков Д.А. Optical computation of the Laplace operator at oblique incidence using a multilayer metal-dielectric structure Optics Express, Том 31, выпуск 10, стр. 17050-17064 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1364/OE.489750

2. Кашапов А.И., Безус Е.А., Быков Д.А., Досколович Л.Л. Plasmonic Generation of Spatiotemporal Optical Vortices Photonics, Том 10, выпуск 2, номер статьи 109 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10020109

3. Кашапов А.И., Безус Е.А., Быков Д.А., Досколович Л.Л. Generation of spatiotemporal optical vortices using Kretschmann setup for transverse magnetic and transverse electric polarizations Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, - (год публикации - 2023)

4. Кашапов А.И., Безус Е.А., Быков Д.А., Досколович Л.Л. Дифференцирование оптических сигналов с помощью интегральной структуры «металл-диэлектрик-металл» Известия РАН. Серия физическая, - (год публикации - 2024)

5. Кашапов А.И., Досколович Л.Л., Безуc Е.А., Головастиков Н.В., Быков Д.А. Оптическое дифференцирование второго порядка трехмерного светового пучка с использованием слоистой металлодиэлектрической структуры при наклонном падении Компьютерная оптика, Том 47, выпуск 6, стр. 845-855 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-1311

6. Нестеренко Д.В., Хаваши С., Сойфер В.А. Fabry–Pérot Resonances in Planar Metal–Insulator–Metal Structures for Optical Data Processing: A Review Physics of Wave Phenomena, Том 31, номер 5, стр. 293–311 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S1541308X23050096


Возможность практического использования результатов
По мнению участников проекта, полученные в проекте результаты, связанные с разработкой и исследованием резонансных элементов нанофотоники, ориентированных на работу с излучением, распространяющимся в свободном пространстве, а также резонансных интегральных структур на платформе блоховских поверхностных волн и мод плоскопараллельных диэлектрических волноводов, могут найти применение при создании систем для оптической обработки информации и оптических вычислений.