Сотрудники физического факультета МГУ разработали и продемонстрировали принцип работы устройства на основе эффекта многомодовой интерференции в полимерных волноводах, нанесенных на поверхность многослойной структуры, поддерживающей распространение оптических блоховских поверхностных волн. Исследование таких устройств позволяет сделать ключевой шаг к практическому внедрению новых интегральных устройств на платформе блоховских поверхностных волн. Результаты исследования опубликованы в международном журнале ACS Nano (Q1).
Интегральная фотоника, являющаяся современным и бурно развивающимся разделом прикладной оптики, направлена на разработку методов управления светом на поверхности чипа на микро- и наномасштабах с использованием таких основных элементов, как разветвители, мультиплексоры и фазовращатели. Уже существующие и хорошо исследованные платформы интегральной фотоники – технологии «кремний-на-изоляторе» и «поверхностные плазмон-поляритоны», хорошо работают в основном в инфракрасной области, однако они плохо применимы в видимом диапазоне излучения из-за недостатков, связанных с поглощением и сложной технологией изготовления. В последнее время появилась новая многообещающая полностью диэлектрическая платформа, основанная на использовании блоховских поверхностных электромагнитных волнах (БПВ) в многослойных структурах и функционирующая в видимом оптическом диапазоне. Данное исследование прокладывает путь к разработке универсального набора инструментов для устройств на платформе БПВ, которые могут быть необходимы в приложениях интегральной фотоники, лаборатории на чипе (так называемая lab-on-chip технология) и в задачах оптической сенсорики. В МГУ на физическом факультете разработками в данной области занимаются в лаборатории нанооптики и метаматериалов под руководством профессора Андрея Федянина.
«В нашей лаборатории мы ранее создавали и исследовали обычные планарные волноводные структуры. Однако сейчас нашей задачей была разработка продвинутых устройств интегральной фотоники на основе блоховских поверхностных волн. В этой работе мы развиваем подход к реализации интегральных оптических разветвителей, фазовращателей и интерферометров с использованием эффекта многомодовой интерференции (ММИ). Работа исследуемых устройств достаточно проста и элегантна: при подаче сигнала на вход волновода внутри него возбуждаются оптические моды, которые интерферируют между собой и результатом интерференции является некоторое число копий входного сигнала. При правильном подборе параметров волновода эти копии могут быть разведены по разным выходам. Таким образом можно создавать сколь угодно сложные устройства с произвольным числом входов и выходов. Более того, устройства ММИ являются фундаментальными элементами в современных фотонных схемах благодаря своей компактности, низким потерям и широкому диапазону работы, – рассказал первый автор статьи и автор идеи данных устройств, аспирант кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ и научный сотрудник лаборатории, Кирилл Сафронов. – Мы впервые продемонстрировали и исследовали эффект многомодовой интерференции блоховских поверхностных волн».
«Используя разработанный нами уникальный комплекс с полным циклом создания и изучения образцов, представляющий из себя гибрид технологии двухфотонной лазерной литографии для изготовления образцов и установки микроскопии утечки излучения для их исследования, мы визуализируем ММИ, изучаем ее свойства в зависимости от ширины волноводов и разрабатываем разветвители и фазовращатели. На основании полученных результатов мы успешно изготовили интерферометры Маха-Цендера с фазовым сдвигом 0 и π, демонстрирующие контролируемую конструктивную и деструктивную интерференцию на выходе», – прокомментировал один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории Дмитрий Гулькин.
«Разрабатываемые устройства на основе БПВ могут быть легко проверены на стадии создания прототипа с помощью метода микроскопии утечки излучения, который позволяет визуализировать влияние дефектов и ошибок изготовления на распределение ближнего поля внутри устройств. Более того, возможность использовать полимеры в качестве основного материала для волновода позволит нам в дальнейшем встроить различные типы люминесцентных или нелинейных материалов, таких как квантовые точки, непосредственно в волноводы», – подытоживает ведущий научный сотрудник группы Владимир Бессонов.
Руководитель лаборатории профессор Андрей Федянин: «Данная работа является яркой демонстрацией того, насколько хорошо можно управлять видимым светом на микромасштабе, используя обычные диэлектрические материалы и простые методы структурирования. Платформа блоховских поверхностных волн предоставляет уникальные возможности для разработки интегральных фотонных схем для любых спектральных диапазонов. Мы полагаем, что предложенная концепция может сформировать основу нового типа интегральных оптических устройств, которые применимы в ряде ключевых задач, таких как нелинейная и квантовая оптика, сенсорика и биофотоника».
Изображение. На рисунке представлен принцип работы устройств на основе многомодовой интерференции блоховских поверхностных электромагнитных волн. Приведено изображение типичной структуры, работающей на основе многомодовой интерференции, полученное атомно-силовым микроскопом с наложенным на него распределением ближнего поля. Также представлен интерферометр Маха-Цендера для блоховских поверхностных волн с распределениями ближнего поля при фазовом сдвиге 0 и π. Андрей Федянин/МГУ
