(45-3) 07 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Оптический дифференциатор на основе трехслойной металлодиэлектрической структуры
А.И. Кашапов 1,2, Л.Л. Досколович 1,2, Д.А. Быков 1,2, Е.А. Безус 1,2, Д.В. Нестеренко 1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,
2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 1252 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-824

Страницы: 356-363.

Аннотация:
Рассмотрены оптические свойства резонансной структуры «металл–диэлектрик–металл», состоящей из верхнего металлического слоя, диэлектрического слоя и металлической подложки. С использованием модели многолучевой интерференции доказано, что коэффициент отражения указанной структуры может строго обращаться в нуль. Наличие нуля отражения позволяет использовать «металл–диэлектрик–металл»-структуру в качестве оптического дифференциатора. Приведенные результаты численного моделирования демонстрируют возможность оптического вычисления производной по пространственной координате и во времени. Полученные результаты могут найти применение при создании систем аналоговых оптических вычислений и оптической обработки информации.

Ключевые слова:
резонансная структура, металлодиэлектрическая система слоев, оптическое дифференцирование.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 19-19-00514) в части исследования оптических свойств МДМ-структуры (параграфы 1, 2), Российского фонда фундаментальных исследований (проект 18-07-00613) в части исследования МДМ-дифференциаторов (параграф 3) и Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части создания программных средств для моделирования работы дифференцирующих МДМ-структур (параграф 3).

Цитирование:
Кашапов, А.И. Оптический дифференциатор на основе трехслойной металлодиэлектрической структуры / А.И. Кашапов, Л.Л. Досколович, Д.А. Быков, Е.А. Безус, Д.В. Нестеренко // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 3. – С. 356-363. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-824.

Citation:
Kashapov AI, Doskolovich LL, Bykov DA, Bezus EA, Nesterenko DV. Optical differentiator based on a trilayer metal-dielectric structure. Computer Optics 2021; 45(3): 356-363. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-824.

Литература:
  1. Silva, A. Performing mathematical operations with metamaterials / A. Silva, F. Monticone, G. Castaldi, V. Galdi, A. Alù, N. Engheta // Science. – 2014. – Vol. 343, Issue 6167. – P. 160-163.
  2. Solli, D.R. Analog optical computing / D.R. Solli, B. Jalali, // Nature Photonics. – 2015. – Vol. 9, Issue 11. – P. 704-706.
  3. Bykov, D.A. Temporal differentiation of optical signals using resonant gratings / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, V.A. Soifer // Optics Letters. – 2011. – Vol. 36, Issue 17. – P. 3509-3511. – DOI: 10.1364/OL.36.003509.
  4. Bykov, D.A. Single-resonance diffraction gratings for time-domain pulse transformations: integration of optical signals / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, V.A. Soifer // Journal of the Optical Society of America A. – 2012. – Vol. 29, Issue 8. – P. 1734-1740. – DOI: 10.1364/JOSAA.29.001734.
  5. Doskolovich, L.L. Spatial differentiation of optical beams using phase-shifted Bragg grating / L.L. Doskolovich, D.A. Bykov, E.A. Bezus, V.A. Soifer // Optics Letters. – 2014. – Vol. 39, Issue 5. – P. 1278-1281. – DOI: 10.1364/OL.39.001278.
  6. Bykov, D.A. Optical computation of the Laplace operator using phase-shifted Bragg grating / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, V.A. Soifer // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 21. – P. 25084-25092. – DOI: 10.1364/OE.22.025084.
  7. Rivas, L.M. Experimental demonstration of ultrafast all-fiber high-order photonic temporal differentiators / L.M. Rivas, S. Boudreau, Y. Park, R. Slavík, S. LaRochelle, A. Carballar, J. Azaña // Optics Letters. – 2009. – Vol. 34, Issue 12. – P. 1792-1794.
  8. Berger, N.K. Temporal differentiation of optical signals using a phase-shifted fiber Bragg grating / N.K. Berger, B. Levit, B. Fischer, M. Kulishov, D.V. Plant, J. Azaña // Optics Express. – 2007. – Vol. 15, Issue 2. – P. 371-381.
  9. Kulishov, M. Design of high-order all-optical temporal differentiators based on multiple-phase-shifted fiber Bragg gratings / M. Kulishov, J. Azaña // Optics Express. – 2007. – Vol. 15, Issue 10. – P. 6152-6166.
  10. Golovastikov, N.V. An optical differentiator based on a three-layer structure with a W-shaped refractive index profile / N.V. Golovastikov, L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, D.A. Bykov, V.A. Soifer // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2018. – Vol. 127, Issue 2. – P. 202-209. – DOI: 10.1134/S1063776118080174.
  11. Zhu, T. Plasmonic computing of spatial differentiation / T. Zhu, Y. Zhou, Y. Lou, H. Ye, M. Qiu, Z. Ruan, S. Fan // Nature Communications. – 2017. – Vol. 8, Issue 1. – P. 1-6.
  12. Ruan, Z. Spatial mode control of surface plasmon polariton excitation with gain medium: from spatial differentiator to integrator / Z. Ruan // Optics Letters. – 2015. – Vol. 40, Issue 4. – P. 601-604.
  13. Bykov, D.A. First-order optical spatial differentiator based on a guided-mode resonant grating / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, A.A. Morozov, V.V. Podlipnov, E.A. Bezus, P. Verma, V.A. Soifer // Optics Express. – 2018. – Vol. 26, Issue 8. – P. 10997-11006. – DOI: 10.1364/OE.26.010997.
  14. Dong, Z. Optical spatial differentiator based on subwavelength high-contrast gratings / Z. Dong, J. Si, X. Yu, X. Deng // Applied Physics Letters. – 2018. – Vol. 112, Issue 18. – 181102.
  15. Bykov, D.A. Time-domain differentiation of optical pulses in reflection and in transmission using the same resonant grating / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, N.V. Golovastikov, V.A. Soifer // Journal of Optics. – 2013. – Vol. 15, Issue 10. – 105703. – DOI: 10.1088/2040-8978/15/10/105703.
  16. Golovastikov, N.V. Resonant diffraction gratings for spatial differentiation of optical beams / N.V. Golovastikov, D.A. Bykov, L.L. Doskolovich // Quantum Electronics. – 2014. – Vol. 44, Issue 10. – 984. – DOI: 10.1070/QE2014v044n10ABEH015477.
  17. Youssefi, A. Analog computing by Brewster effect / A. Youssefi, F. Zangeneh-Nejad, S. Abdollahramezani, A. Khavasi // Optics Letters. – 2016. – Vol. 41, Issue 15. – 3467. – DOI: 10.1364/OL.41.003467.
  18. Нестеренко, Д.В. Оптическое дифференцирование на основе эффекта Брюстера / Д.В. Нестеренко, М.Д. Колесникова, А.В. Любарская // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 5. – С. 758-763. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-5-758-763.
  19. Nesterenko, D.V. The dependence of the image edge detection directivity by Brewster effect on the gradient of inhomogeneities of objects / D.V. Nesterenko, A.V. Lyubarskaya, M.D. Kolesnikova, V.A. Soifer // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1368. – 022066. – DOI: 10.1088/1742-6596/1368/2/022066.
  20. Kolesnikova, M.D. The resolution of optical image edge detection based on Brewster effect / M.D. Kolesnikova, A.V. Lyubarskaya, D.V. Nesterenko, V.A. Soifer // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1368. – 022016. – DOI: 10.1088/1742-6596/1368/2/022016.
  21. Nesterenko, D.V. Brewster effect in the broadband light reflectivity / D.V. Nesterenko, M.D. Kolesnikova, L.V. Lyubarskaya, V.A. Soifer // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – Vol. 1461. – 012116. – DOI: 10.1088/1742-6596/1461/1/012116.
  22. Pors, A. Analog computing using reflective plasmonic metasurfaces / A. Pors, M.G. Nielsen, S.I. Bozhevolnyi // Nano Letters. – 2015. – Vol. 15, Issue 1. – P. 791-797.
  23. Pors, A. Plasmonic metasurfaces for efficient phase control in reflection / A. Pors, S.I. Bozhevolnyi // Optics Express. – 2013. – Vol. 21, Issue 22. – P. 27438-27451.
  24. Chizari, A. Analog optical computing based on a dielectric meta-reflect array / A. Chizari, S. Abdollahramezani, M.V. Jamali, J.A. Salehi // Optics Letters. – 2016. – Vol. 41, Issue 15. – P. 3451-3454.
  25. Shu, S. Triple-layer Fabry-Perot absorber with near-perfect absorption in visible and near-infrared regime / S. Shu, Z. Li, Y.Y. Li // Optics Express. – 2013. – Vol. 21, Issue 21. – P. 25307-25315.
  26. Yan, M. Metal–insulator–metal light absorber: a continuous structure / M. Yan // Journal of Optics. – 2013. – Vol. 15, Issue 2. – 025006.
  27. Cui, Y. Plasmonic and metamaterial structures as electromagnetic absorbers / Y. Cui, Y. He, Y. Jin, F. Ding, L. Yang, Y. Ye, S. Zhong, Y. Lin, S. He // Laser & Photonics Reviews. – 2014. – Vol. 8, Issue 4. – P. 495-520.
  28. Ng, C. Plasmonic near-complete optical absorption and its applications / C. Ng, L. Wesemann, E. Panchenko, J. Song, T.J. Davis, A. Roberts, D.E. Gómez // Advanced Optical Materials. – 2019. – Vol. 7, Issue 14. – 1801660.
  29. Li, Z. Large-area, lithography-free super absorbers and color filters at visible frequencies using ultrathin metallic films / Z. Li, S. Butun, K. Aydin // ACS Photonics. – 2015. – Vol. 2, Issue 2. – P. 183-188.
  30. Wesemann, L. Selective near-perfect absorbing mirror as a spatial frequency filter for optical image processing / L. Wesemann, E. Panchenko, K. Singh, E. Della Gaspera, D.E. Gómez, T.J. Davis, A. Roberts // APL Photonics. – 2019. – Vol. 4, Issue 10. – 100801.
  31. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – Москва: Наука, 1973.
  32. Li, L. Formulation and comparison of two recursive matrix algorithms for modeling layered diffraction gratings / L. Li // Journal of the Optical Society of America A. – 1996. – Vol. 13, Issue 5. – P. 1024-1035.
  33. Doskolovich, L.L. Analytical design of flat-top transmission filters composed of several resonant structures / L.L. Doskolovich, N.V. Golovastikov, D.A. Bykov, E.A. Bezus // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 19. – P. 26786-26798. – DOI: 10.1364/OE.27.026786.
  34. Bykov, D.A. Coupled-wave formalism for bound states in the continuum in guided-mode resonant gratings / D.A. Bykov, E.A. Bezus, L.L. Doskolovich // Physical Review A. – 2019. – Vol. 99, Issue 6. – 063805. – DOI: 10.1103/PhysRevA.99.063805.
  35. Refractive index database [Electronical Resource]. – URL: https://refractiveindex.info/ (request date 19.10.2020).
  36. Moharam, M.G. Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings: enhanced transmittance matrix approach / M.G. Moharam, D.A. Pommet, E.B. Grann, T.K. Gaylord // Journal of the Optical Society of America A. – 1995. – Vol. 12, Issue 5. – P. 1077-1086.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20