Ученые создали уникальный интерферометр для интегральной фотоники на основе многомодовой интерференции

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 решающий шаг к практическому внедрению новых интегральных устройств на платформе блоховских поверхностных волн. Результаты исследования опубликованы в международном журнале ACS Nano (Q1).

Интегральная фотоника – современный, бурно развивающийся раздел 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 и 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 волн (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 понадобиться в приложениях интегральной фотоники, лаборатории на чипе (так называемая технология lab-on-chip) и в задачах оптической сенсорики. На физическом факультете МГУ разработками в этой области занимаются в лаборатории нанооптики и метаматериалов под руководством профессора Андрея Федянина. 

«В 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, в результате чего образуется 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 – 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 можно легко проверить на стадии создания прототипа методом микроскопии утечки излучения, который позволяет визуализировать влияние дефектов и ошибок изготовления на распределение ближнего поля внутри устройств, – объяснил ведущий научный сотрудник группы Владимир Бессонов. – 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». 

«Данная работа демонстрирует, насколько хорошо можно управлять видимым светом на микромасштабе, используя обычные диэлектрические материалы и простые методы структурирования, – подытожил руководитель лаборатории профессор Андрей Федянин. – Платформа блоховских поверхностных волн дает уникальные возможности с точки зрения разработки интегральных фотонных схем для любых спектральных диапазонов. Мы полагаем, что предложенная концепция может стать основой нового типа интегральных оптических устройств для решения задач в таких ключевых областях, как нелинейная и квантовая оптика, сенсорика и биофотоника».

Изображение. Типичная структура, работающая на основе многомодовой интерференции. Изображение получено с помощью атомно-силового микроскопа 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