Волноводы исчезли из фотонной решетки

Физики из России и Чили продемонстрировали исчезновение части волноводов в графеноподобной фотонной решетке. Такой эффект стал возможен благодаря существованию так называемого угла невидимости — такому расположению волноводов, при котором нарушается эванесцентное взаимодействие между соседними элементами решетки. Авторы работы предложили использовать разработанную технологию для уменьшения дифракционных потерь при передаче световых сигналов. Результаты исследования опубликованы в Nano Letters.

Если разместить вблизи несколько оптических волноводов так, чтобы они влияли друг на друга благодаря эванесцентному, то есть выходящему за пределы волновода, полю, то в итоге получится фотонная решетка. Поскольку распространение света в одиночном волноводе описывается уравнением, которое очень похоже на уравнение Шрёдингера, то уже два соединенных через эванесцентное взаимодействие волновода продемонстрируют поведение, подобное двухатомной молекуле (физики назвали это фотонным димером). Если же соединить еще больше волноводов, то можно построить целые молекулярные агрегаты и даже двумерные материалы.

Особенно интересен тот факт, что для подобных структур существует так называемый угол невидимости — угол расположения волноводов, при котором исчезает взаимодействие между ближайшими соседями — они становятся по сути невидимы друг для друга. И если для одномерных структур физики уже экспериментально реализовали этот эффект, то с двумерными решетками опыты до недавнего времени не проводились.

Максим Мазанов (Maxim Mazanov) из Университета ИТМО совместно с коллегами из России и Чили изготовил графеноподобную фотонную решетку, для которой продемонстрировали исчезновение избранных волноводов с помощью угла невидимости. Российские физики предложили теоретическую модель эксперимента и численные методы для расчета взаимодействий между волноводами, а их чилийские коллеги реализовали идею экспериментально.

Для этого ученые изготовили несколько эллиптических волноводов, использовав фемтосекундную лазерную запись (лазер прожег нужный узор в кристалле). Сначала исследователи определили условия нулевой связи для двух волноводов, а затем масштабировали экспериментальную установку, объединив несколько волноводов в графеноподобную решетку. Всего физики собрали девять таких решеток с различным расстоянием между ближайшими соседями и возможностью регулировать угол, определяющий степень геометрической деформации. Авторы работы отметили, что по сравнению с одномерным расположением волноводов, эффект дальнодействующих связей в их эксперименте сыграл более важную роль, а управление направленностью связей стало сложнее.

В результате для двух волноводов, расположенных на расстоянии 25 микрометров друг от друга, при длине волны излучения 730 нанометров физики получили значение угла невидимости в 0,56 радиан (примерно 32 градуса). Когда ученые проверили это значение для всей структуры, и связь между некоторыми волноводами исчезла, решетка распалась на отдельные изолированные димеры. Также физики исследовали зависимость угла невидимости от длины волны в диапазоне 700-760 нанометров и выяснили, что при росте длины волны угол невидимости также увеличивался, а при достижении значения в 750 нанометров дальнодействующие связи заметно ухудшили эффект исчезновения волноводов. Аналогичное поведение угол невидимости продемонстрировал и при уменьшении расстояния между волноводами в решетке.

Авторы работы отметили, что предложенная ими идея станет полезной для уменьшения потерь при фокусировке оптических пучков, поскольку угол невидимости отсекает вместе с волноводами и потери излучения, возникающие из-за дифракционных потерь.

О том, как физики увидели уровни Ландау для фотонов в фотонных решетках, мы писали ранее.