Год издания: 2022
Ключевые слова: таммовский плазмон-поляритон, топологическая фотоника, фотонный кристалл, жидкий кристалл, полностью диэлектрическая метаповерхность, распределенный брэгговский отражатель, связанное состояние в континууме, геометрические фазы Панчаратнама-Берри и Зака, сенсор фазы, микролазер
Аннотация: Применение топологических идей в фотонике позволило создать впечатляющий ряд миниатюрных фотонных устройств, таких как безотражательные сильно изогнутые волноводы, эффективные линии задержки, спин-поляризованные переключатели и устройства однонаправленной передачи сигнала. С одной стороны, непосредственные причины бума кроются в раПоказать полностьюзвитии нанотехнологий. С другой стороны, освоение субволнового масштаба позволяет по-новому осмыслять способы не только для генерации света, но и для управления этой субтильной формой материи. Исторически первое поколение оптических устройст было основано на управлении посредством геометрической формы поверхности (классические зеркала, линзы, призмы). Второе поколение - на перепаде показателя преломления (просветляющие покрытия, плоские линзы). Третье поколение - на управлении двулучепреломлением (ЖК-дисплеи). О четвертом поколении фотонных устройств позволяют говорить такие концепции как фотонные кристаллы и метаматериалы, в том числе двулучепреломляющие, например, дифракционные фазовые волновые пластины и метаповерхности. В них используется способность среды изменять ориентацию оптической оси на волновом и субволновом масштабе. В хиральных фотонных структурах, в которых зеркальная симметрия нарушается за счет структурной хиральности, становится существенным учет геометрической (топологической) фазы, которая еще до появления концепции топологической фотоники была использована Владимирским, Рытовым, Панчаратнамом, Берри и другими при описании особенностей зонной структуры, поляризации на сфере Пуанкаре и сингулярной фазы вблизи нулевой амплитуды в центре оптического вихря. Таким образом, топология находит приложения для изображений с высоким разрешением, в волоконно-оптической связи, а также при создании новых протоколов для обработки квантовой информации. Более того, сохранение топологического заряда лежит в основе нетривиальных оптических связанных состояний в континууме с экстремально высокой добротностью. Топологические состояния наблюдались в технологически важных ближнем инфракрасном и видимом диапазонах частот, с использованием решетки спиральных волноводов и решетки кольцевых резонаторов. В настоящее время активно исследуется широкий спектр других платформ, включая поляритонные цепи, антенные решетки резонаторов и в настоящей заявке - метаповерхности.У российской и тайваньской сторон в проекте уже сформировался общий исследовательский интерес. Это таммовский плазмон-полярион - интенсивная световая волна, локализованная на общей границе двух отражающих фотонных структур. Его основной особенностью является брэгговское отражение при произвольных углах падения, не ограниченных углом полного внутреннего отражения. По сравнению с многомерными периодическими структурами одномерные брэгговские многослойники просты в изготовлении. Для таких структур топологический характер поверхностных состояний удовлетворительно описывается фазой Зака. Кроме того, при наличии слоев из анизотропных материалов нетривиальная топология появляется благодаря поляризации, которая обеспечивает два независимых релаксационных канала для перестраиваемых по добротности резонансов. Нетривиальная топология обеспечивает устойчивость при перестраиваемости спектральных свойств таммовского плазмон-поляритона. Такая перестраиваемость важна при разработке электроуправляемых фотонных устройств, в частности, для умного транспорта и телекоммуникаций. В системе автономного управления для умного транспорта важной составляющей являются датчики, заменяющие органы чувств водителя. Здесь высока ответственность за принятие решения и для конкуренции с водителем-человеком обычной видеокамеры зачастую не достаточно, добавляются радары, парктроники. Еще один дорогостоящий датчик, также призванный заменить глаза водителя - лидар - это устройство фотоники, представляющее собою лазерный радар для точного распознавания объектов на близких расстояниях.Мотивация данного проекта заключается в развитии теории и подтверждающем наблюдении топологически устойчивых локализованных волн в сложных фотонных структурах. Новая актуальная идея - топологическая устойчивость при беззеркальном повороте луча микролазера на основе таммовского плазмон-поляритона. Механическое управление ориентацией источника или отклоняющего зеркала - процесс относительно медленный и не всегда оптимальный. Поэтому вместо того, чтобы отклонять луч лазера от начального направления, заданного при генерации, предлагается менять параметры самого лазера так, чтобы луч генерировался в новом направлении. Данная идея может привести к созданию новых фотонных устройств на основе таких управляемых прозрачных материалов, как жидкие кристаллы и полимеры, многослойные зеркала и наностуктурированные диэлектрические метаповерхности. Планируется получить таммовский микролазер с электроуправляемым лучом и соответствующим детектором.