Основные достижения 2021

Q-ФАКТОР ОДИН МИЛЛИОН В СИСТЕМЕ ИЗ 4-Х КОАКСИАЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИСКОВ

ПРОЕКТ ГОС. ЗАДАНИЯ «СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР ДЛЯ УСТРОЙСТВ ФОТОНИКИ, МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ» (0287-2021-0036) И ПРОЕКТ РФФИ № 19-02-00055 «ВЫСОКОДОБРОТНЫЕ РЕЗОНАНСЫ В ЛИНЕЙНЫХ СТРУКТУРАХ КОНЕЧНОГО ЧИСЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДИСКОВ И СФЕР»

Руководители проекта ГЗ – д.т.н. Беляев Б. А., д.ф.-м.н. Зырянов В. Я.

Руководитель проекта РФФИ, ответственный исполнитель – д.ф.-м.н. Садреев А. Ф.

Результат признан одним из наиболее значимых результатов, полученных в 2021 году в организациях, относящихся к ОУС по физическим наукам СО РАН, протокол от 24.12.2021.

В настоящее время огромный интерес проявляется к связанным состояниям в континууме (ССК) в фотонно-кристаллических структурах (ФКС) в связи с тем, что их добротность ограничена лишь материальными потерями, а с другой стороны они легко управляются внешним излучением. Однако их технологический недостаток состоит в большой протяженности ФКС для поддержания ССК.

Ключевым механизмом повышения добротности оптических резонаторов, который может быть приложен и к компактным системам из нескольких резонаторов, является деструктивная интерференция электромагнитных мод при антикроссинге резонансов [1]. За счет тонкой настройки размеров резонаторов и расстояний между ними мы добились почти полной деструктивной интерференции всех мультипольных излучений в дальней оптической зоне, что позволяет получить невероятно высокие добротности. Рис. 1 демонстрирует структуры из трех и четырех коаксиальных кремниевых дисков с показателем преломления 3.46 в оптической области. На рис. 1а приведено известное решение для резонансных мод одного диска, которое, однако, на один-два порядка уступает нашим решениям из трех дисков различных толщин. На рис. 1b представлены конструкции из 4 кремниевых дисков, чьи резонансные моды демонстрируют добротности сто тысяч и даже миллион [2].

Рис. 1 Различные варианты оптимизированных оптических резонаторов с профилями электромагнитного поля, почти запертого в структуре [2].

Sadreev, Interference traps waves in an open system: bound states in the continuum //

Reports on Progress in Physics 84, 055901 (2021).

Pichugin, A. Sadreev, E. Bulgakov, Ultrahigh-Q system of a few coaxial disks //
Nanophotonics 10, 4341 (2021).

НИЗКОПОРОГОВЫЙ МИКРОЛАЗЕР НА ОСНОВЕ СВЯЗАННОГО СОСТОЯНИЯ В КОНТИНУУМЕ НА МЕТАПОВЕРХНОСТИ С ГИБРИДНЫМ РЕШЕТОЧНЫМ РЕЗОНАНСОМ

СОВМЕСТНЫЙ ПРОЕКТ РФФИ И МИНИСТЕРСТВА НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ТАЙВАНЯ (МНТ) № 19-52-52006 «ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ТАММОВСКИЕ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНЫ И МЕТАПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ФОТОНИКИ»

Руководитель – д.ф.-м.н. Тимофеев И. В.

Связанное состояние в континууме – уникальное поведение квантовой частицы, которая не покидает потенциальную яму, обладая достаточной энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Применение данной концепции в оптике позволяет достичь вынужденного испускания фотонов в активном слое микронной толщины благодаря локализации оптической моды вблизи диэлектрической метаповерхности. В такой структуре нами было экспериментально показано, что незначительное отклонение от условия полной деструктивной интерференции приводит к лазерной генерации с порогом до 1.25 нДж при ширине импульса накачки 1.24 нс. Это объясняется тем, что при сближении размеров четных и нечетных нано-параллелограммов метаповерхности резонанс Фано в спектре отражения сужается, а затем – схлапывается, приводя к полностью темному гибридному решеточному резонансу. При этом высокая добротность и сильная локализация поля компенсируют недостаток объема моды микрорезонатора и позволяют достичь высокого фактора Парселла. Результаты исследования могут быть применены в нелинейной оптике, в оптических сенсорах, а также для разработки новых интегрально-оптических схем и микролазеров с низким порогом и высокой добротностью.

Рис. 2. Метаповерхность нано-параллелепипедов из нитрида кремния высотой 227 нм с периодом 300 нм, погруженная в диметилсульфоксид, допированный родамином 6G, с гибридным решеточным резонансом на основе квази-связанного состояния в континууме с длиной волны 605 нм (слева). Измеренная зависимость интенсивности и ширины линии фотолюминесценции от энергии импульса накачки, сплошная серая линия получена из решения скоростных уравнений, на вставках – поляризационная диаграмма и изображение в оптическом микроскопе (справа).

H. Yang, Z.-T. Huang, D. N. Maksimov, P. S. Pankin, I. V. Timofeev, K.-B. Hong, H. Li, J.-W. Chen, C.-Y. Hsu, Y.-Y. Liu, T.-C. Lu, T.-R. Lin, C.-S. Yang, K.-P. Chen, Low-Threshold Bound State in the Continuum Lasers in Hybrid Lattice Resonance Metasurfaces // Laser & Photonics Reviews 15(10), 2100118 (2021).

МОНОЛИТНЫЙ МИНИАТЮРНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА
МНОГОПРОВОДНИКОВЫХ ПОЛОСКОВЫХ РЕЗОНАТОРАХ

ПРОЕКТ ГОС. ЗАДАНИЯ «СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР ДЛЯ УСТРОЙСТВ ФОТОНИКИ, МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ» (0287-2021-0036)

Руководители – д.т.н. Беляев Б. А., д.ф.-м.н. Зырянов В. Я.

Полосно-пропускающие фильтры являются важнейшими устройствами современных радиотехнических систем передачи, приема и обработки сигналов. От фильтров зависит не только качество радиоаппаратуры, но, нередко, ее габариты и даже цена.

Разработана новая монолитная конструкция миниатюрного полосно-пропускающего фильтра для изготовления по технологии многослойных печатных плат. Использование в конструкции многопроводниковых полосковых резонаторов обеспечивает не только миниатюрность, но и высокую избирательность устройства, что продемонстрировано на опытном образце фильтра четвертого порядка. Центральная частота полосы пропускания изготовленного фильтра f₀ = 546 МГц, относительная ширина Δf / f₀ = 25 %, вносимые потери 0.8 дБ. Фильтр обладает протяженной высокочастотной полосой заграждения, которая по уровню ‒30 дБ простирается до частоты 10f₀. Габариты фильтра 15.0×12.0×4.3 мм³ (0.027λ₀×0.021λ₀×0.007λ₀, где λ₀ ‒ длина волны в вакууме на частоте f₀), а масса всего лишь 1.8 г. Характеристики фильтра и удобство конструкции для поверхностного монтажа обуславливают его высокую перспективность. В настоящее время организуется серийный выпуск фильтров на АО «НПП «Радиосвязь (г. Красноярск).

Рис. 3 Конструкция миниатюрного фильтра на многопроводниковых полосковых резонаторах и фотографии (вид сверху и снизу) опытного образца монолитного фильтра, изготовленного на АО «НПП «Радиосвязь (г. Красноярск). Справа амплитудно-частотные характеристики фильтра. Сплошная и штриховая линии – расчет, точки – эксперимент.

Б. А. Беляев, А. М. Сержантов, Я. Ф. Бальва, А. А. Лексиков, Ан. А. Лексиков, И. В. Подшивалов, Т. Ю. Шумилов, Полосковый двухспиральный резонатор // Патент № 2755294, выдан 14.09.2021.
Б. А. Беляев, А. М. Сержантов, Ан. А. Лексиков, Я. Ф. Бальва, Р. Г. Галеев, Монолитный миниатюрный полосно-пропускающий фильтр на многопроводниковых полосковых резонаторах // Письма в ЖТФ 47(13) 16 (2021).

ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА

ПРОЕКТ РНФ № 18-72-10036 «ИССЛЕДОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННЫХ СТРУКТУР В СЛОЯХ ХОЛЕСТЕРИКА С КОНИЧЕСКИМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЦЕПЛЕНИЕМ»

Руководитель – к.ф.-м.н. Крахалев М. Н.

Разработан электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света на основе слоя холестерического жидкого кристалла (ЖК) с тангенциально-коническими граничными условиями. В исходном состоянии в ЖК ячейке формируется закрученная конфигурация директора, которая поворачивает поляризацию проходящего света. Приложение электрического поля перпендикулярно слою ЖК приводит к изменению угла вращения поляризации света, вследствие азимутального поворота директора на подложке с коническим сцеплением. Проведены исследования образцов с различной толщиной слоя холестерика d. На рисунке представлены схема вращения поляризации света и результаты измерения изменения угла поворота поляризации Δb монохроматического света с длиной волны 632.8 нм в образце с d = 35.3 мкм и шагом холестерической спирали p = 57.6 мкм. Приложение напряжения к ЖК ячейке в диапазоне от 0.30 до 1.43 В позволяет варьировать величину Δb от 0 до 76°. Угол эллиптичности прошедшего излучения в данном диапазоне напряжений не превышает 10°, что свидетельствует о состоянии поляризации света близкой к линейной.

Предлагаемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света может использоваться в оптоэлектронных приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации элемент с низковольтным управлением поляризацией проходящего оптического излучения.

Рис. 4 Схема вращения поляризации света в слое холестерика с тангенциально-коническим сцеплением (а) и экспериментальная зависимость изменения угла поворота поляризации Δb монохроматического света от величины приложенного напряжения U к ЖК ячейке (б).

В. С. Сутормин, М. Н. Крахалев, И. В. Тимофеев, Р. Г. Бикбаев, О. О. Прищепа, В. Я. Зырянов, Электроуправляемый ЖК вращатель поляризации монохроматического света // Заявка на выдачу патента №2021122443 от 28.07.2021.
S. Sutormin, M. N. Krakhalev, I. V. Timofeev, R. G. Bikbaev, O. O. Prishchepa, V. Ya. Zyryanov, Cholesteric layers with tangential-conical surface anchoring for an electrically controlled polarization rotator //
Optical Materials Express 11, 1527 (2021).