Институт в фотографиях

Научные и прикладные результаты лаборатории 11

2017 г.

Борновский ряд для ближнего поля

Совместно с ИФП СО РАН

 Диаграмма рассеяния плоской э/м волны на двух цилиндрах

Рис.1. Угловая диаграмма рассеяния плоской э/м волны с λ = 1.5 мкм на двух одинаковых параллельных стеклянных цилиндрах с радиусами 0.1 мкм, зазор между цилиндрами 0.1 мкм, угол плоскости с осями цилиндров составляет 450 от волнового вектора (горизонта), расстояние от точки наблюдения до оси одного из цилиндров 3 мкм: 3-е борновское приближение (черная пунктирная), BEM (синяя сплошная), DDA (красная пунктирная).

Аналитически решена задача рассеяния плоской электромагнитной волны на двух параллельных однородных цилиндрах кругового сечения. Построены функции Грина и получен борновский ряд рассеянного поля в случаях продольной и поперечной поляризаций плоской электромагнитной волны по отношению к оси цилиндров. Выполнено сравнение с двумя численными расчетами: известными методами граничных элементов (BEM) и точечных диполей (DDA). Показано, что первое борновское приближение подходит для определения качественного характера рассеяния, а учет вплоть до третьей поправки достаточен для хорошего количественного согласия. На рис.1 отличие не превышает 1% по амплитуде. Интегральные соотношения обобщены на случай большего числа тел произвольной формы.

  1. Bereza A.S., Nemykin A.V., Perminov S.V., Frumin L.L., Shapiro D.A. Light scattering by dielectric bodies in the Born approximation // Physical Review A. – 2017, V.95, p.063839.

2016 г.

Поле у входа в субволновую щель

Совместно с Физико-техническим институтом, Брауншвейг (Германия)

 Мощность поля в щели

Рис.1. Теоретическая переходная кривая для идеального металла с учетом 100 пространственных мод (сплошная кривая) и численный расчет программой JCMsuite для золотой пленки толщиной 100 нм на длине волны 1.5 мкм (точки). Совпадение кривых свидетельствует о применимости модели идеального металла.

Недавно была предсказана светоиндуцированная сила между металлическими телами. Подготовка эксперимента требует расчета оптического поля между двумя проводящими плоскостями, который до сих пор не был выполнен. В данной работе задача решена для идеального металла. Найдена переходная кривая между хорошо известными предельными случаями широкой и узкой щели по сравнению с длиной волны. Показано, что кривая содержит осцилляции, вызванные рождением в щели новых волноводных мод.Для случая субволновой щели найдены простые асимптотические формулы. Теоретическая кривая хорошо согласуется с численным расчетом для золота, см. рис. 1. Исследование плазмонной силы притяжения открывает возможность практических приложений, в частности, в манипуляции микронными металлическими частицами и в технике микропереключателей.

  1. David Shapiro, Daniel Nies, Oleg Belai, Matthias Wurm and Vladimir Nesterov. Optical field and attractive force at the subwavelength slit // Optics Express – 2016, V.24, No.14, pp.15977–15982.

2015 г.

Исследование новых форматов передачи данных с фазовой модуляцией

 Вероятность символа входного алфавита

Рис.1. Сравнение нового метода с алгоритмом Аримото – Блэхута. Вероятность символа входного алфавита x=0.95±d в зависимости от десятичного логарифма числа итераций для разных интервалов:  d=0.3 (точки), 0.2 (штрихи), 0.1  (сплошная линия). Верхняя кривая (штрих-пунктир) – расчет итерационным методом с интервалом d=0.001.

Предложен итерационный метод подбора оптимального входного алфавита и расчета пропускной способности канала оптической связи. Продемонстрировано преимущество нового метода по сравнению с классическим алгоритмом Аримото – Блэхута.  Установлено, что новый метод особенно эффективен для каналов с дискретным входным алфавитом, неизвестным априори. На рис. 1 изображены вероятности, рассчитанные новым и традиционным методами при разных размерах интервала d (неопределенности положения символа). Из рисунка видно, что новый метод значительно быстрее сходится и одновременно обеспечивает существенно более высокую точность.

  1. Shapiro E.G., Shapiro D.A., and Turitsyn S.K. Method for computing the optimal signal distribution and channel capacity // Optics Express – 2015, V.23, No.12., pp.15119–15133.

2014 г.

Узкая оптическая фильтрация в фазово-модулированных линиях связи

pic1pic2

Рис.1. Профиль мощности битовой последовательности 000 001 010 100 011 101 110 111 после фильтра (сплошная линия) и усредненный профиль (пунктир). Интервал фазовой модуляции π (а), π/2 (б). Из рисунка видно, что дисперсия в случае (б) заметно меньше.

Выполнено сравнение двух форматов передачи оптических битов со сдвигом фазы π и π/2 , соответствующих амплитудной и фазовой модуляции. Найдены выражения для дисперсии амплитуды импульсов, усредненной по возможным реализациям последовательности. Аналитически показано, что в присутствии узкого оптического фильтра π/2-схема обеспечивает меньшую дисперсию и более высокое качество сигнала. Результат объясняет эксперимент и подтверждается численным расчетом. Проанализированы причины искажения сигнала: неидеальный прямоугольный оптический фильтр на приемной стороне, ненайквистовская форма сигнала и сдвиг точки детектирования от центра частотной полосы. Найдены дисперсия и диаметр облака на констелляционной диаграмме. Показано, что при отношении сигнал/шум выше 11 дБ рассмотренные источники становятся главными.

  1. Shapiro E.G., Shapiro D.A.  Narrow optical filtering in phase modulated communication links // Electronics Letters – 2013, V.49, No.4, pp.279–281.
  2. Shapiro E.G., Shapiro D.A.  Interview // Electronics Letters – 2013, V.49, No.4, pp.279–281.
  3. Shapiro E.G., Shapiro D.A. Imperfect narrow filtering in optical links with phase modulation // Optics Communications – 2014, V.320, pp.27–32.

2013 г.

Поверхностный плазмон в периодической структуре нанопроволок

cylinder field

Рис. 1. Распределение ближнего поля в окрестности цилиндров. Цветом показана амплитуда магнитного поля.

 

filed amplification

Рис. 2. Коэффициент усиления локального поля в щели при λ = 886 (сплошная линия), 729 (частые штрихи), 653 (точки), 564 (редкие штрихи), 539 нм (штрих-пунктир).

Обнаружены необычные плазмоны, возбуждаемые неоднородной волной в узкой щели в периодическом массиве нанопроволок, лежащем на диэлектрической подложке. Неоднородная волна появляется, когда исходная плоская волна падает на границу подложки под углом полного внутреннего отражения. Обнаружено, что плазмонный резонанс имеет резкую зависимость от угла падения. Это свойство делает резонанс перспективным для приложений в «умных» перестраиваемых устройствах плазмоники.

На рис. 1 показано распределение амплитуды магнитного поля в окрестности двух соседних золотых цилиндров диаметром 100 нм, расположенным над стеклом. Электрическое поле максимально в центре узкой щели размером 5 нм, где магнитное имеет наибольший градиент. На рис.2 показан коэффициент усиления локального поля в зависимости от угла падения для золота на разных длинах волн. Видно резкое изменение поля вблизи угла полного внутреннего отражения 420 для излучения с длиной волны 700–900 нм.
 

  1. Frumin L.L., Nemykin A.V., Perminov S.V., Shapiro D.A. Plasmons excited by an evanescent wave in a periodic array of nanowires // J. Opt. – 2013, V.15, p.085002, 7 pages.
  2. Frumin L.L., Perminov S.V., Shapiro D.A. Plasmons excited by an evanescent wave // JOSA B – 2013, V.30, No.8, pp.2048–2052.