Элементная база посткремниевой фотоники (этап 2 промежуточный)

В ходе реализации проекта «Элементная база посткремниевой фотоники» в 2023 были выполнены все задачи, предусмотренные планом научного исследования на отчётный период. Ван-дер-ваальсовы кристаллы представляют собой уникальный класс материалов, обладающих перспективными для применения в фотонике нового поколения свойствами. Слоистые материалы могут совмещать в себе такие отличительные характеристики, как высокий показатель преломления и оптическая анизотропия при низких потерях вплоть до видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн. Оптические свойства исследуемых анизотропных в плоскости слоистых материалов (дисульфид германия, диселенид германия и др.) демонстрируют высокий показатель преломления (больше 2) и близкий к нулю коэффициент экстинкции для широкого диапазона длин волн, что делает их отличной платформой для реализации волноводных структур. Для этого были рассчитаны планарные волноводы из этих материалов, а также экспериментально реализованы и измерены на рассеивающем сканирующем оптическом ближнепольном микроскопе (в схеме на отражение). В результате были получены карты распределения ближнего поля волноводных мод в анизотропных планарных волноводах для видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов (700 - 1000 нм). Полученные ближнепольные карты затем использовались для определения эффективного индекса мод и их дисперсии по длине волны, которые сравнивались с расчетами на основе анизотропных оптических констант материалов, полученных из анализа эллипсометрических спектров. Совпадение экспериментальных и теоретических дисперсий волноводных мод в рамках погрешности измерений подтверждает, что полученные оптические свойства анизотропных слоистых материалов могут быть использованы для расчета ближнепольного отклика фотонных наноструктур. Помимо высокого показателя преломления анизотропные в плоскости слоистые материалы (дисульфид германия, диселенид германия и др.) имеют большую оптическую анизотропию (больше, чем 0,1) в плоскости слоев, что открывает возможности для их применения в анизотропной нанофотонике. Например, гигантская плоскостная оптическая анизотропия позволила реализовать ультратонкую (толщиной всего 345 нм) четвертьволновую пластинку, сделанную из анизотропного слоистого материала сульфида мышьяка, для двух длин волн (512 и 559 нм). Более того, на примере данной четвертьволновой пластинки было показано, что наличие гигантской оптической анизотропии позволяет достичь круговой поляризации на нескольких длинах волн, тогда как в классическом случае ультратонкая волновая пластинка работает только на одной длине волны. В дополнении к планарным волноводам были оптимизированы параметры полосковых волноводов на основе перспективных слоистых материалов (MoS2, WS2 и др.). Далее оптимизированные волноводы были изготовлены при помощи электронной литографии и измерены при помощи рассеивающего сканирующего оптического ближнепольного микроскопа. Например, в результате оптимизации оказалось, что оптимальные размеры полоскового волновода для дисульфида вольфрама составляют: 500 нм ширина и 300 нм высота волновода. При данных параметрах достигается наибольшая степень интеграции волноводов в фотонной интегральной схеме для телекоммуникационных длин волн. Полученные оптические свойства анизотропных слоистых материалов позволили реализовать топологическую темноту для системы тонкая пленка анизотропного слоистого материала/кремний. Для экспериментальной верификации эффекта топологической темноты были измерены эллипсометрические спектры вблизи топологической точки. Полученные спектры подтвердили наличие топологической темноты, в частности, показали, что достигается нулевая амплитуда отраженного сигнала и наличие топологической фазовой сингулярности. Более того, наличие плоскостной оптической анизотропии дает возможность механического управления топологическими точками путем вращения образца. Тем самым в ходе реализации проекта удалось добиться переключения топологических точек по длине волны на 10 нм и по углу на 5 градусов благодаря найденной оптической анизотропии слоистых материалов.