Разработка резонансных структур нанофотоники для систем оптической обработки информации и оптических вычислений

Проект направлен на решение проблемы создания новых устройств нанофотоники (дифракционных микро- и наноструктур), предназначенных для высокоэффективного преобразования пространственно-временных оптических сигналов и на разработку на этой основе элементной базы новых устройств сверхбыстрой оптической обработки информации и оптических вычислений. Актуальность научной проблемы подтверждается интенсивным развитием компаниями IBM, Intel, NEC, Cisco технологий «кремниевой нанофотоники», ориентированных на создание вычислительных систем нового поколения, в которых носителями информации являются световые импульсы вместо электрических сигналов. Научное направление, посвящённое разработке устройств нанофотоники для систем полностью оптической обработки информации, также входит в список наиболее актуальных направлений, заявленных Европейской ассоциацией по нанофотонике. Для преобразования пространственно-временных оптических сигналов в проекте будут использоваться дифракционные структуры с резонансными свойствами. Под резонансами понимаются аномальные (резкие) изменения коэффициентов отражения и пропускания, происходящие при возбуждении собственных мод дифракционной структуры. В проекте будут исследованы различные резонансные структуры (резонансные дифракционные решётки, нанорезонаторы, многослойные покрытия) применительно к решению задач пространственного и пространственно-временного дифференцирования и интегрирования оптических сигналов, к оптическому решению дифференциальных уравнений, оптическому вычислению оператора Лапласа, а также к задаче амплитудно-фазовой модуляции оптического излучения. Помимо преобразований световых пучков, распространяющихся в свободном пространстве, будут исследованы преобразования поверхностных электромагнитных волн, которые рассматриваются в качестве перспективных носителей информации в системах оптической обработки информации «на чипе». Проект будет включать расчёт и исследование планарных структур нанофотоники для реализации базовых операций пространственного и временного дифференцирования и интегрирования поверхностных электромагнитных волн в системах «на чипе». В задаче модуляции оптического излучения предполагается использование структур нанофотоники (микро- и нанорезонаторов), выполненных из магнитооптического (МО) материала. Оптические свойства МО материалов изменяются при приложении внешнего магнитного поля. Именно в резонансном режиме, связанном с возбуждением в дифракционной структуре собственных мод, малые изменения оптических свойств материала могут привести к большим изменениям структуры оптического сигнала, взаимодействующего со структурой. В проекте впервые будут рассчитаны и исследованы микро- и нанорезонаторы из МО материала для амплитудной модуляции и управления распространением поверхностных плазмон-поляритонов. Проект также включает создание программных средств для решения ряда задач расчёта резонансных структур нанофотоники, изготовление лабораторных образцов резонансных дифракционных структур для управления параметрами оптического сигнала и их экспериментальные исследования. Научная новизна проекта состоит в следующем: в проекте впервые будет теоретически описан класс пространственно-временных преобразований световых пучков, реализуемых резонансными дифракционными структурами, и впервые показана возможность эффективной оптической реализации ряда важнейших операций обработки оптических сигналов (пространственного дифференцирования, интегрирования, вычисления оператора Лапласа, решения дифференциальных уравнений, амплитудной модуляции). Указанные научные результаты имеют принципиальную значимость в задаче создания нового поколения устройств оптической обработки информации на элементной базе нанофотоники.