Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Настоящий проект направлен на поиск новых перспективных материалов и разработку наноразмерных волноведущих структур для нанофотоники, обеспечивающих максимальную локализацию оптического излучения и его распространение с минимально возможными потерями. Такие материалы и структуры в будущем обеспечат уменьшение размеров фотонных компонент и выступят альтернативой кремнию и устройствам кремниевой фотоники. В настоящее время альтернативой кремнию могут выступить дисульфиды молибдена и вольфрама, характеризующиеся высокими показателями преломления (>4) и практически нулевыми оптическими потерями в телекоммуникационном диапазоне частот. В рамках настоящего проекта задача поиска новых перспективных материалов и разработки наноразмерных волноведущих структур для нанофотоники решается посредством 1) расчета электронных и оптических свойств новых материалов с помощью эволюционного алгоритма USPEX и T-USPEX; 2) всестороннего анализа оптических свойств перспективных слоистых материалов (прежде всего дихалькогенидов переходных металлов); 3) разработки и создания на основе этих материалов волноведущих структур, использующих уникальные оптические свойства слоистых материалов (рекордную анизотропию). На конец отчетного периода были получены следующие результаты: Получены данные по перспективным слоистым материалам (дихалькогенидов переходных металлов) на основе результатов моделирования с помощью эволюционного алгоритма USPEX и T-USPEX. Для этого произведено усовершенствование и соответствующая адаптация методов USPEX и T-USPEX. В результате моделирования удалось обнаружить экспериментально известную фазу 1H-MoS2. Кроме того, была обнаружена новая, неизвестная ранее двумерная фаза Pmma-Mo6S4 а также новая метастабильная фаза Pnma-Mo4S4, которая потенциально может обладать перспективными свойствами. Стабильность найденных структур была подтверждена с помощью DFT расчетов. Помимо поиска новых фаз в системе Mo-S, также были рассчитаны оптические свойства различных ван-дер-ваальсовых материалов дихалькогенидов переходных металлов, а именно hBN, WS2, MoS2 и MoSe2. Разработана процедура измерения оптических свойств слоистых материалов (MoSe2, WSe2, MoTe2 (2H и 1T’), WTe2) и их двумерных аналогов (полученных посредством механической эксфолиации) с помощью спектороскопии комбинационного рассеяния света, а также спектральной и визуализирующей нулевой эллипсометрии. Получены о обработаны поляризационные спектры слоистых кристаллов дихалькогенидов переходных металлов и их двумерных аналогов, а также соотвествующие спектры отражения, пропускания и поглощения. Используя оригинальную методу фитинга эллипсометрических данных получены оптические константы различных слоистых кристаллов дихалькогенидов переходных металлов и их двумерных аналогов (полученных посредством механической эксфолиации). Была экспериментально исследована дисперсия волноводных мод в слоистых материалах (MoSe2, WSe2, MoTe2 (2H и 1T’), WTe2), а также проведено сравнение полученных экспериментальных данных с численными расчетами на основе оптических констант материалов, полученных с помощью спектральной эллипсометрии. Получено очень хорошее совпадение теоретических расчетов с экспериментальными данными. На основе полученных результатов были разработаны компактные (наноразмерные) волноводы. Для этого в программе Comsol Multiphysics было проведено моделирование полосковых волноводов MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2 в зависимости от ширины и высоты кремниевого ядра волноводов. В результате оптимизации этих параметров были получены оптимальные значения размеров волноводов, которые использовались для создания волноводов типа MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2. Помимо этого, были смоделированы волноводы типа Si/MoS2 и Si/WS2, поскольку такая конфигурация также использует преимущества дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама для достижения экстремальной глубины моды (e-skid – extreme skin depth) в обкладках волновода, но только с одной стороны, в отличии от конфигурации MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2, где используются обе стороны волновода. С другой стороны, конфигурацию Si/MoS2 и Si/WS2 гораздо проще изготовить, чем MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2, из-за чего они также были рассмотрены в работе. Также, как и в случае MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2, полосковые волноводы Si/MoS2 и Si/WS2 были смоделированы в программе Comsol Multiphysics в зависимости от ширины и высоты кремниевого ядра волновода. В результате оптимизации этих параметров были получены оптимальные значения размеров волноводов, при которых получается минимальный размер моды. На финальном этапе работы было проведено тестирование и оптимизация компактных (наноразмерных) волноводов типа MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2 с использованием рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Для этого были созданы волноводы с различной шириной с шагом в 50 нм и измерены на рассеивающем сканирующем ближнепольном оптическом микроскопе на нескольких длинах волн (1475 нм, 1500 нм, 1525 нм, 1550 нм и 1575 нм) амплитудные и фазовые распределения полей. В результате Фурье-анализа были получены дисперсионные соотношения, которые показали отличное согласие с результатами моделирования в программе Comsol Multiphysics, что подтверждает правильность подхода для достижения оптимальных параметров волноводов. Более того, совпадение теоретических расчетов с экспериментальными данными дает возможность для нахождения перспектив применения слоистых материалов и разработке схем нанофотонных устройств. В частности, были предложены фотонные кристаллы на основе дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама, а также направленные ответвители на базе волноводов MoS2/Si/MoS2 и WS2/Si/WS2 для передачи энергии из одного канала связи в другой.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе реализации проекта «Элементная база посткремниевой фотоники» в 2023 были выполнены все задачи, предусмотренные планом научного исследования на отчётный период. Ван-дер-ваальсовы кристаллы представляют собой уникальный класс материалов, обладающих перспективными для применения в фотонике нового поколения свойствами. Слоистые материалы могут совмещать в себе такие отличительные характеристики, как высокий показатель преломления и оптическая анизотропия при низких потерях вплоть до видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн. Оптические свойства исследуемых анизотропных в плоскости слоистых материалов (дисульфид германия, диселенид германия и др.) демонстрируют высокий показатель преломления (больше 2) и близкий к нулю коэффициент экстинкции для широкого диапазона длин волн, что делает их отличной платформой для реализации волноводных структур. Для этого были рассчитаны планарные волноводы из этих материалов, а также экспериментально реализованы и измерены на рассеивающем сканирующем оптическом ближнепольном микроскопе (в схеме на отражение). В результате были получены карты распределения ближнего поля волноводных мод в анизотропных планарных волноводах для видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов (700 - 1000 нм). Полученные ближнепольные карты затем использовались для определения эффективного индекса мод и их дисперсии по длине волны, которые сравнивались с расчетами на основе анизотропных оптических констант материалов, полученных из анализа эллипсометрических спектров. Совпадение экспериментальных и теоретических дисперсий волноводных мод в рамках погрешности измерений подтверждает, что полученные оптические свойства анизотропных слоистых материалов могут быть использованы для расчета ближнепольного отклика фотонных наноструктур. Помимо высокого показателя преломления анизотропные в плоскости слоистые материалы (дисульфид германия, диселенид германия и др.) имеют большую оптическую анизотропию (больше, чем 0,1) в плоскости слоев, что открывает возможности для их применения в анизотропной нанофотонике. Например, гигантская плоскостная оптическая анизотропия позволила реализовать ультратонкую (толщиной всего 345 нм) четвертьволновую пластинку, сделанную из анизотропного слоистого материала сульфида мышьяка, для двух длин волн (512 и 559 нм). Более того, на примере данной четвертьволновой пластинки было показано, что наличие гигантской оптической анизотропии позволяет достичь круговой поляризации на нескольких длинах волн, тогда как в классическом случае ультратонкая волновая пластинка работает только на одной длине волны. В дополнении к планарным волноводам были оптимизированы параметры полосковых волноводов на основе перспективных слоистых материалов (MoS2, WS2 и др.). Далее оптимизированные волноводы были изготовлены при помощи электронной литографии и измерены при помощи рассеивающего сканирующего оптического ближнепольного микроскопа. Например, в результате оптимизации оказалось, что оптимальные размеры полоскового волновода для дисульфида вольфрама составляют: 500 нм ширина и 300 нм высота волновода. При данных параметрах достигается наибольшая степень интеграции волноводов в фотонной интегральной схеме для телекоммуникационных длин волн. Полученные оптические свойства анизотропных слоистых материалов позволили реализовать топологическую темноту для системы тонкая пленка анизотропного слоистого материала/кремний. Для экспериментальной верификации эффекта топологической темноты были измерены эллипсометрические спектры вблизи топологической точки. Полученные спектры подтвердили наличие топологической темноты, в частности, показали, что достигается нулевая амплитуда отраженного сигнала и наличие топологической фазовой сингулярности. Более того, наличие плоскостной оптической анизотропии дает возможность механического управления топологическими точками путем вращения образца. Тем самым в ходе реализации проекта удалось добиться переключения топологических точек по длине волны на 10 нм и по углу на 5 градусов благодаря найденной оптической анизотропии слоистых материалов.