Оптоволокно широко используется в сфере телекоммуникаций, позволяя оптическому сигналу передавать почти в миллион раз больше информации, чем электрическому посредством медного провода. Кроме того, оптоволокно активно используется в повседневной медицине, например, при проведении исследований внутри живого организма. В частности, методы эндоскопии за счет использования оптического волокна позволяют осмотреть внутренние органы человека в режиме реального времени, что крайне важно для диагностики заболеваний.
Однако эффективность захвата света оптоволокном стремительно снижается при больших углах падения. Это происходит настолько быстро, что при угле падения света всего в 15 градусов эффективность падает практически до нуля. Этот недостаток существенно ограничивает функциональные возможности и потенциал применения оптических волокон.
В сотрудничестве с Институтом фотонных технологий им. Лейбница в Германии и Австралийским национальным университетом ученые ИТМО Олег Ермаков и Андрей Богданов решили фундаментальную задачу захвата света оптоволокном при углах падения больше 70 градусов.
Исследователи предложили использовать диэлектрическую наноструктуру с высоким показателем преломления из нитрида кремния, которую нанесли на торец оптоволокна. Благодаря отсутствию потерь нитрида кремния на поглощение больше света попадает в оптоволокно.
Кроме того, наноструктура представляет собой кольцевую дифракционную решетку. За счет явления дифракции свет облетает структуру таким образом, что начинает распространяться точно вдоль оси оптоволокна, несмотря на большой угол падения.
Наконец, кольцевая форма структуры позволяет захватывать свет любой поляризации, падающий на структуру с любого направления, что крайне важно с практической точки зрения. Эти факторы в совокупности увеличили эффективность захвата света на 4 порядка относительно оптических волокон без наноструктуры и с металлической наноструктурой.
«Думаю, наш успех заключается в гармоничном сочетании специалистов в области оптоволокна и оптических наноструктур, командной работе теоретиков и экспериментаторов, — объясняет Олег Ермаков, выпускник аспирантуры Нового физтеха Университета ИТМО. — Мы продвинулись от поверхностного понимания проблемы до четко сформулированной концепции, аналитического описания и точной численной модели. Это позволило нам определить оптимальный дизайн структуры, которую впоследствии изготовили и измерили наши немецкие коллеги».
В ближайшее время исследователи планируют ускорить, упростить и удешевить процесс изготовления наноструктур на торце оптоволокна с помощью технологии нанопечатной литографии — штампования полимерного покрытия и последующего травления.
Сейчас ученые работают над преобразованием теоретических наработок в автоматический алгоритм, основанный на продвинутых оптимизаторах и машинном обучении, для определения дизайна наноструктуры, позволяющей решить любую частную задачу.
«Реализованное устройство будет полезно для любого приложения, которое требует удаленного сбора света под большим углом, например, в спектроскопии in vivo или квантовых технологиях», — комментирует руководитель проекта, профессор Маркус Шмидт.
«В течение многих лет успех нанофотоники, развиваемой для эффективного управления взаимодействием света и вещества, не был связан с прогрессом в оптоволоконных технологиях, направленных на гораздо более крупные масштабы. Эта работа обеспечивает мост между двумя областями знаний. Значимость этого факта подчеркивается выбором нашей статьи на обложку журнала ACS Photonics с импакт-фактором 7.3», — рассказывает о значимости разработки соруководитель исследования, почетный доктор Университета ИТМО и действительный член Австралийской академии наук, профессор Юрий Кившарь.
Исследование проводилось при поддержке Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС», Немецко-Российского междисциплинарного научного центра (G-RISC) и Российского научного фонда.
Статья: Oleh Yermakov, Henrik Schneidewind, Uwe Hübner, Torsten Wieduwilt, Matthias Zeisberger, Andrey Bogdanov, Yuri Kivshar, and Markus A. Schmidt. ACS Photonics. doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01078
