Вышедшие номера
Home » Оптика и спектроскопия » Год 2026, выпуск 8 » Статья стр. 914
<<<>>>
Обратный дизайн метаповерхности для высокоапертурной фокусировки волноводной моды в свободное пространство
Подобрий М.А.1, Барулин А.В.1
1Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Центр фотоники и двумерных материалов, Долгопрудный, Московская обл. Россия
Email: alexbarulin73@gmail.com
Поступила в редакцию: 3 декабря 2025 г.
В окончательной редакции: 1 февраля 2026 г.
Принята к печати: 3 июня 2026 г.
Выставление онлайн: 7 сентября 2026 г.
PDF версия
Разработка эффективных элементов для вывода и управления излучением в планарных интегральных схемах остается актуальной задачей кремниевой фотоники. В работе представлен дизайн и численное исследование компактного элемента фотонной интегральной схемы на основе метаповерхности для эффективного вывода и фокусировки излучения из планарного волновода в свободное пространство. Для решения этой задачи был применен метод обратного дизайна, который позволяет свести проблему физического дизайна к задаче максимизации целевой функции - интенсивности в заданной точке фокуса. Мы демонстрируем универсальность подхода, представив три оптимизированных дизайна интегральных метаповерхностей из нитрида кремния в виде наноструктур на торце планарного волновода, работающих на длинах волн 488, 532 и 633 nm. Результаты моделирования показывают, что все дизайны обеспечивают хорошую эффективность фокусировки и формируют четко выраженное фокальное пятно с размерами, близкими к дифракционному пределу. Ключевым преимуществом конструкции является её высокая технологичность, достигаемая за счёт формирования волновода и метаповерхности в едином слое нитрида кремния одинаковой высоты, что исключает необходимость многоэтапной интеграции наноструктур поверх волновода. Полученные результаты подтверждают перспективность использования метода обратного дизайна для создания высокоэффективных и компактных элементов вывода излучения для нового поколения фотонных интегральных устройств. Ключевые слова: металинзы, фотонные интегральные схемы, обратный дизайн, метод конечных разностей во временной области.
  1. A. Arbabi, Y. Horie, M. Bagheri, A. Faraon. Nat. Nanotechnol., 10 (11), 937 (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.186
  2. N. Yu, F. Capasso. Nat. Mater., 13 (2), 139 (2014). DOI: 10.1038/nmat3839
  3. H.-T. Chen, A.J. Taylor, N. Yu. Rep. Prog. Phys., 79 (7), 076401 (2016). DOI: 10.1088/0034-4885/79/7/076401
  4. К.В. Барышникова, С.С. Харинцев, П.А. Белов, Н.А. Устименко, С.А. Третьяков, К.Р. Симовский. УФН, 192 (4), 386 (2022). DOI: 10.3367/UFNr.2021.03.038952 [K.V. Baryshnikova, S.S. Kharintsev, P.A. Belov, N.A. Ustimenko, S.A. Tretyakov, C.R. Simovski. Phys.-Usp., 65 (4), 355 (2022). DOI: 10.3367/UFNe.2021.03.038952]
  5. M. Pan, Y. Fu, M. Zheng, H. Chen, Y. Zang, H. Duan, Q. Li, M. Qiu, Y. Hu. Light Sci. Appl., 11 (1), 195 (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00885-7
  6. M.K. Chen, Y. Wu, L. Feng, Q. Fan, M. Lu, T. Xu, D.P. Tsai. Adv. Opt. Mater., 9 (4), 2001414 (2021). DOI: 10.1002/adom.202001414
  7. Z. Hu, M. Gu, Y. Tian, C. Li, M. Zhu, H. Zhou, B. Fang, Z. Hong, X. Jing. Microsyst. Nanoeng., 11, 189 (2025). DOI: 10.1038/s41378-025-01064-5
  8. M. Khorasaninejad, F. Capasso. Science, 358 (6367), eaam8100 (2017). DOI: 10.1126/science.aam8100
  9. Y. Zhang, X. Jiang, G. Qu, J. Han, C. Li, B. Bo, Q. Ruan, Z. Liu, Q. Song, S. Xiao. Nat. Commun., 16, 7485 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62539-7
  10. А.Г. Налимов, В.В. Котляр. Компьютерная оптика, 47 (2), 201 (2023). DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1170
  11. A. Barulin, Y. Kim, D.K. Oh, J. Jang, H. Park, J. Rho, I. Kim. Nat. Commun., 15, 26 (2024). DOI: 10.1038/s41467-023-44407-4
  12. Z. Li, Y. Liu, C. Zhang, Y. Qiao, R. Deng, Y. Shi, Z. Li. Adv. Funct. Mater., 34 (16), 2312705 (2024). DOI: 10.1002/adfm.202312705
  13. L. Deng, Z. Cai, Y. Liu. Nano Lett., 24 (29), 9042 (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02231
  14. Y. Ding, X. Chen, Y. Duan, H. Huang, L. Zhang, S. Chang, X. Guo, X. Ni. ACS Photonics, 9 (2), 398 (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01577
  15. P.-Y. Hsieh, S.-L. Fang, Y.-S. Lin, W.-H. Huang, J.-M. Shieh, P. Yu, Y.-C. Chang. Nanophotonics, 11 (21), 4687 (2022). DOI: 10.1515/nanoph-2022-0344
  16. M. Podobrii, E. Barulina, A. Barulin. Nanomaterials, 15 (17), 1337 (2025). DOI: 10.3390/nano15171337
  17. E. Barulina, D.D. Nguyen, F. Shuklin, M. Podobrii, S. Novikov, A. Chernov, I. Kim, A. Barulin. Sensors, 24 (23), 7781 (2024). DOI: 10.3390/s24237781
  18. Z. Sun, S. Yan, K. Chen, Z. Lin, Y. Ye, S. Xu, J. Sun, Q. Yan, T. Guo, E. Chen. Opt. Lasers Eng., 178 (3), 108157 (2024). DOI: 10.1016/j.optlaseng.2024.108157
  19. P.-Y. Hsieh, S.-L. Fang, Y.-S. Lin, W.-H. Huang, J.-M. Shieh, P. Yu, Y.-C. Chang. Opt. Express, 31 (8), 12487 (2023). DOI: 10.1364/OE.487589
  20. X. Zu, X. Sun, W. Yan, W.E.I. Sha, M. Qiu. Laser Photon. Rev., 19 (3), 2400886 (2025). DOI: 10.1002/lpor.202400886
  21. Z. Lin, C. Roques-Carmes, R.E. Christiansen, M. Soljav ci'c, S.G. Johnson. Appl. Phys. Lett., 118 (4), 041104 (2021). DOI: 10.1063/5.0035419
  22. Z. Li, R. Pestourie, Z. Lin, S.G. Johnson, F. Capasso. ACS Photonics, 9 (7), 2178 (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01850
  23. R.E. Christiansen, O. Sigmund. J. Opt. Soc. Am. B, 38 (2), 496 (2021). DOI: 10.1364/JOSAB.406048
  24. Z. Li, R. Pestourie, J.-S. Park, Y.-W. Huang, S.G. Johnson, F. Capasso. Nat. Commun., 13, 2409 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29973-3
  25. S. Molesky, Z. Lin, A.Y. Piggott, W. Jin, J. Vuv ckovi'c, A.W. Rodriguez. Nat. Photonics, 12 (11), 659 (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0246-9
  26. Q. Jiang, J. Liu, J. Li, X. Jing, X. Li, L. Huang, Y. Wang. Adv. Opt. Mater., 11 (15), 2300077 (2023). DOI: 10.1002/adom.202300077
  27. H. Chung, O.D. Miller. Opt. Express, 28 (5), 6945 (2020). DOI: 10.1364/OE.385440
  28. A. Michaels, E. Yablonovitch. Opt. Express, 26 (4), 4766 (2018). DOI: 10.1364/OE.26.004766
  29. W. Chang, X. Ren, Y. Ao, L. Lu, M. Cheng, L. Deng, D. Liu, M. Zhang. Opt. Express, 26 (18), 24135 (2018). DOI: 10.1364/OE.26.024135
  30. A.Y. Piggott, J. Lu, K.G. Lagoudakis, J. Petykiewicz, T.M. Babinec, J. Vuvckovic. Nat. Photonics, 9 (6), 374 (2015). DOI: 10.1038/nphoton.2015.69
  31. M. Mansouree, A. McClung, S. Samudrala, A. Arbabi. ACS Photonics, 8 (2), 455 (2021). DOI: 10.1021/acsphotonics.0c01058
  32. H. Liang, A. Martins, B.-H.V. Borges, J. Zhou, E.R. Martins, J. Li, T.F. Krauss. Optica, 6 (12), 1461 (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.6.001461
  33. S. Moon, S. Kim, J. Kim, C.-K. Lee, J. Rho. Nat. Nanotechnol., 20, 747 (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01887-3
  34. J. Ji, Z. Ye, Z. Wang, J. Sun, X. Li, J. Li, J. Wang, B. Fang, Z. Gao, S. Hu, S. Zhu, T. Li. Light Sci. Appl., 14 (1), 332 (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-02014-6
  35. K.K. Mehta, C.D. Bruzewicz, R. McConnell, R.J. Ram, J.M. Sage, J. Chiaverini. Nat. Nanotechnol., 11 (12), 1066 (2016). DOI: 10.1038/nnano.2016.139
  36. K.K. Mehta, R.J. Ram. Sci. Rep., 7, 2019 (2017). DOI: 10.1038/s41598-017-02169-2
  37. T. Abbasov, S. Zibrov, I. Stolyarov, N. Orlikovskiy, A. Gabidullin, S. Arkhipov, A. Shishkin, V. Zheltikov, A. Denisov, I. Sherstov. Opt. Express, 33 (14), 29308 (2025). DOI: 10.1364/OE.558926

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.

Учредители

Издатель

© 2026 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme