Резонансные структуры интегральной нанофотоники на платформе блоховских поверхностных волн

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 связи с этим ведущие научные группы и компании-производители вычислительной техники, в числе которых IBM и Intel, активно развивают технологии создания компонентов вычислительных систем, в которых в качестве информационных носителей используются оптические сигналы вместо электрических. Научное направление, связанное с разработкой структур нанофотоники для систем оптической обработки информации и оптических вычислений, входит в направления исследований ведущих мировых университетов (Массачусетский технологический институт, Cтэнфордский университет) и научных исследовательских центров (IBM Research). 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)]. Один из наиболее интересных классов резонансных структур фотоники образуют резонансные дифракционные решетки. Несмотря на долгую историю (резонансы в дифракционных решетках впервые наблюдались Р. Вудом в 1902 году), резонансные дифракционные решетки по-прежнему остаются предметом интенсивных исследований благодаря широкому спектру экстраординарных оптических эффектов, возникающих в условиях резонанса [P. Qiao et al., Adv. Opt. Photon. 10, 180 (2018); G. Quaranta et al., Laser Photon. Rev. 12, 1800017 (2018)]. Помимо теоретической значимости, резонансные дифракционные решетки представляют большой практический интерес и, в частности, широко используются в качестве узкополосных и широкополосных спектральных и пространственных фильтров, поляризаторов, преобразователей формы пучков и импульсов. Эффекты усиления электромагнитного поля, возникающие в условиях резонанса, позволяют усилить различные нелинейные и магнитооптические эффекты. В качестве перспективной платформы для интегрированных «на чипе» систем фотоники рассматриваются одномерные фотонные кристаллы (ФК), выполненные в виде системы однородных диэлектрических слоев [L. Yu et al., Light Sci. Appl. 3, e124 (2014)]. Информационными носителями в таких интегрированных системах являются блоховские поверхностные волны (БПВ), распространяющиеся по границе ФК. В 2018 году вышел специальный выпуск журнала Applied Sciences (“Surface Waves on Planar Photonic Crystals”), посвященный структурам фотоники на платформе БПВ. Анализ статей данного выпуска показывает, что БПВ-платформа является особенно перспективной для таких применений как сенсорика, двумерные «фотонные цепи» для оптической обработки информации, устройства «на чипе» для управления оптическими сигналами, усиления магнитооптических эффектов и т. п. Настоящий проект направлен на решение фундаментальной проблемы разработки и создания новых резонансных структур фотоники на платформе БПВ, распространяющихся по границе одномерного ФК. Целью проекта является теоретическое описание, расчёт, компьютерное моделирование, создание и экспериментальное исследование новых резонансных структур фотоники на платформе БПВ, «поддерживающих» высокодобротные резонансы и обладающих новыми функциональными свойствами, позволяющими эффективно реализовать различные операции оптической обработки информации в геометрии «на чипе». Высокая «чувствительность» БПВ к изменению оптических свойств границы распространения позволяет эффективно управлять структурой БПВ за счет изменения толщины верхнего слоя ФК или за счет формирования дифракционной наноструктуры непосредственно на нём. С использованием данного подхода в проекте впервые будут предложены и исследованы аналоги резонансных дифракционных решеток для платформы БПВ, «поддерживающих» высокодобротные резонансы и связанные состояния в континууме (особый класс собственных мод, не затухающих во времени). Дифракционные решетки для БПВ предполагаются выполненными в виде периодического нанорельефа (например, в виде периодического набора ступенек или выемок конечной длины), расположенного непосредственно на поверхности распространения БПВ. При этом направление периодичности (при нормальном падении) перпендикулярно направлению распространения БПВ. Резонансы в таких планарных решетках могут быть связаны как с возбуждением квазиволноводных мод, распространяющихся вдоль направления периодичности, так и с возбуждением собственных мод, локализованных в «ступеньках» решетки. Помимо резонансных дифракционных решеток в проекте будут исследованы резонансные аналоги слоистых структур. Под аналогами слоистых структур для БПВ понимаются структуры, выполненные в виде конечного числа ступенек и/или выемок на поверхности ФК (на поверхности распространения БПВ). Предварительные исследования участников проекта показывают, что даже аналоги простейших слоистых структур, состоящие всего из нескольких выемок и/или ступенек, обладают крайне интересными резонансными свойствами. Проведенный обзор современного состояния исследований по тематике проекта показал, что в настоящее время не существует работ, в которых были предложены и исследованы аналоги резонансных дифракционных решеток для платформы БПВ. Единственная работа, посвященная дифракционным решеткам для БПВ, принадлежит группе проф. Херцига из Федеральной политехнической школы Лозанны [L. Yu, E. Barakat et al., Opt. Express 23, 31640 (2015)]. В этой статье приведены результаты изготовления и исследования планарных аналогов дифракционных решеток. При этом изготовленные решетки имели большой период и не обладали какими-либо резонансными свойствами. В указанной работе было лишь качественно продемонстрировано формирование нескольких порядков дифракции. Высокая научная значимость заявленных в проекте исследований определяется широким классом резонансных эффектов, существующих в «обычных» дифракционных решетках и слоистых структурах, которые в данном проекте будут «перенесены» на платформу БПВ. Кроме того, ожидается, что будут обнаружены и исследованы новые резонансные эффекты, отсутствующие в «обычных» (не планарных) структурах. При этом впервые будут исследованы механизмы формирования связанных состояний в континууме на платформе БПВ. Помимо теоретической значимости, результаты проекта имеют большой практический интерес. В частности, в рамках проекта будут разработаны, созданы и исследованы спектральные и пространственные фильтры для БПВ на основе аналогов резонансных дифракционных решеток и слоистых структур.