Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Электротехника

Теория связанных мод для резонансных дифракционных решёток с изменяющимся периодом

Теория связанных мод для резонансных дифракционных решёток с изменяющимся периодом

Автор: Быков Дмитрий Александрович, Безус Евгений Анатольевич, Досколович Леонид Леонидович

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 3 т.47, 2023 года.

Бесплатный доступ

В работе предложена теория связанных мод для резонансных дифракционных решеток с изменяющимся периодом. Рассмотрены дифракционные структуры, у которых вектор обратной решетки - величина, обратно пропорциональная периоду, - линейно изменяется в направлении периодичности. Показано, что оптические свойства такой структуры существенным образом зависят от скорости изменения периода. На основе сравнения с результатами строгого численного моделирования в рамках метода фурье-мод показана высокая точность предложенной теоретической модели. В частности, разработанная теория связанных мод описывает уширение резонансного пика и появление вторичных максимумов, вызванные ненулевой скоростью изменения периода. Полученные результаты могут найти применение при разработке линейно изменяющихся спектральных фильтров на основе резонансных дифракционных решеток с изменяющимися параметрами.

Еще

Резонанс, дифракционная решётка, линейно изменяющийся фильтр, теория связанных мод

Короткий адрес: https://sciup.org/140300055

IDR: 140300055   |   DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1232

Coupled-mode theory for resonant gratings with a varying period

We propose a coupled-mode theory for resonant diffraction gratings with a varying period. We consider diffractive structures, in which the reciprocal lattice vector, a quantity inversely proportional to the period, varies linearly in the direction of periodicity. It is shown that optical properties of such a structure essentially depend on the period change rate. On the basis of a comparison with the results of rigorous numerical simulations using the rigorous coupled-wave analysis, high accuracy of the proposed theoretical model is demonstrated. In particular, the developed coupled-mode theory describes the broadening of the resonant peak and the appearance of secondary maxima caused by a non-zero period change rate. The obtained results can be used for the development of linear variable filters based on resonant diffraction gratings with varying parameters.

Еще

Список литературы Теория связанных мод для резонансных дифракционных решёток с изменяющимся периодом

  • Zhou W, Zhao D, Shuai Y-C, Yang H, Chuwongin S, Chadha A, Seo J-H, Wang KX, Liu V, Ma Z, Fan S. Progress in 2D photonic crystal Fano resonance photonics. Prog Quantum Electron 2014; 38(1): 1-74. DOI: 10.1016/j.pquantelec.2014.01.001.
  • Miroshnichenko AE, Flach S, Kivshar YS. Fano resonances in nanoscale structures. Rev Mod Phys 2010; 82(3): 2257. DOI: 10.1103/RevModPhys.82.2257.
  • Wood RW. On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum. Proc Phys Soc Lond 1902; 18(1): 269. DOI: 10.1088/1478-7814/18/1/325.
  • Lord Rayleigh. On the dynamical theory of gratings. Proc Math Phys Eng Sci 1907; 79(532): 399-416. DOI: 10.1098/rspa.1907.0051.
  • Fano U. The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld's waves). J Opt Soc Am 1941; 31(3): 213-222. DOI: 10.1364/JOSA.31.000213.
  • Hessel A, Oliner AA. A new theory of Wood's anomalies on optical gratings. Appl Opt 1965; 4(10): 1275-1297. DOI: 10.1364/AO.4.001275.
  • Collin S. Nanostructure arrays in free-space: optical properties and applications. Rep Prog Phys 2014; 77(12): 126402. DOI: 10.1088/0034-4885/77/12/126402.
  • Qiao P, Yang W, Chang-Hasnain CJ. Recent advances in high-contrast metastructures, metasurfaces, and photonic crystals. Adv Opt Photonics 2018; 10(1): 180-245. DOI: 10.1364/AOP.10.000180.
  • Quaranta G, Basset G, Martin OJ, Gallinet B. Recent advances in resonant waveguide gratings. Laser Photon Rev 2018; 12(9): 1800017. DOI: 10.1002/lpor.201800017.
  • Haus HA. Waves and fields in optoelectronics. Englewood Cliffs: Prentice Hall; 1984. ISBN: 978-0-13-946053-1.
  • Haus H, Huang W. Coupled-mode theory. Proc IEEE 1991; 79(10): 1505-1518. DOI: 10.1109/5.104225.
  • Snyder AW. Coupled-mode theory for optical fibers. J Opt Soc Am 1972; 62(11): 1267-1277. DOI: 10.1364/JOSA.62.001267.
  • Nesterenko DV, Hayashi S, Sekkat Z. Asymmetric surface plasmon resonances revisited as Fano resonances. Phys Rev B 2018; 97(23): 235437. DOI: 10.1103/PhysRevB.97.235437.
  • Nesterenko DV. Resonance characteristics of transmissive optical filters based on metal/dielectric/metal structures. Computer Optics 2020; 44(2): 219-228. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-681.
  • Nesterenko DV, Hayashi S, Soifer V. Ab initio spatial coupled-mode theory of Fano resonances in optical responses of multilayer interference resonators. Phys Rev A 2022; 106(2): 023507. DOI: 10.1103/PhysRevA.106.023507.
  • Manolatou C, Khan M, Fan S, Villeneuve PR, Haus H, Joannopoulos J. Coupling of modes analysis of resonant channel add-drop filters. IEEE J Quantum Electron 1999; 35(9): 1322-1331. DOI: 10.1109/3.784592.
  • Suh W, Wang Z, Fan S. Temporal coupled-mode theory and the presence of non-orthogonal modes in lossless multimode cavities. IEEE J Quantum Electron 2004; 40(10): 1511-1518. DOI: 10.1109/JQE.2004.834773.
  • Waks E, Vuckovic J. Coupled mode theory for photonic
  • crystal cavity-waveguide interaction. Opt Express 2005; 13(13): 5064-5073. DOI: 10.1364/OPEX.13.005064.
  • Fan S, Suh W, Joannopoulos JD. Temporal coupled-mode theory for the Fano resonance in optical resonators. J Opt Soc Am A 2003; 20(3): 569-572. DOI: 10.1364/JOSAA.20.000569.
  • Bykov DA, Doskolovich LL. Spatiotemporal coupled-mode theory of guided-mode resonant gratings. Opt Express 2015; 23(15): 19234-19241. DOI: 10.1364/OE.23.019234.
  • Ruan Z, Fan S. Temporal coupled-mode theory for light scattering by an arbitrarily shaped object supporting a single resonance. Phys Rev A 2012; 85(4): 043828. DOI: 10.1103/PhysRevA.85.043828.
  • Verslegers L, Yu Z, Catrysse PB, Fan S. Temporal coupledmode theory for resonant apertures. J Opt Soc Am B 2010; 27(10): 1947-1956. DOI: 10.1364/JOSAB.27.001947.
  • Qian L, Zhang D, Tao C, Hong R, Zhuang S. Tunable guided-mode resonant filter with wedged waveguide layer fabricated by masked ion beam etching. Opt Lett 2016; 41(5): 982-985. DOI: 10.1364/OL.41.000982.
  • Dobbs DW, Gershkovich I, Cunningham BT. Fabrication of a graded-wavelength guided-mode resonance filter photonic crystal. Appl Phys Lett 2006; 89(12): 123113. DOI: 10.1063/1.2356695.
  • Ganesh N, Xiang A, Beltran NB, Dobbs DW, Cunningham BT. Compact wavelength detection system incorporating a guided-mode resonance filter. Appl Phys Lett 2007; 90(8): 081103. DOI: 10.1063/1.2591342.
  • Hsu H-Y, Lan Y-H, Huang C-S. A gradient grating period guided-mode resonance spectrometer. IEEE Photon J 2018; 10(1): 4500109. DOI: 10.1109/JPHOT.2018.2793894.
  • Sheng B, Luo L, Huang Y, Chen G, Zhou H, Zhang D, Zhuang S. Tailorable elastomeric grating with tunable groove density gradient. IEEE Photon J 2017; 9(5): 2400406. DOI: 10.1109/JPHOT.2017.2730851.
  • Wang Y-C, Jang W-Y, Huang C-S. Lightweight torque sensor based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE Sens J 2019; 19(16): 6610-6617. DOI: 10.1109/JSEN.2019.2911982.
  • Lin HA, Hsu H-Y, Chang CW, Huang C-S. Compact spectrometer system based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. Opt Express 2016; 24(10): 10972-10979. DOI: 10.1364/OE.24.010972.
  • Hsiung CT, Huang C-S. Refractive index sensor based on a gradient grating period guided-mode resonance. IEEE Photon Technol Lett 2019; 31(3): 253-256. DOI: 10.1109/LPT.2019.2890873.
  • Chang C-W, Chen S-T, Lin Y-C, Huang C-S. Resonant wavelength shift detection system based on a gradient grating period guided-mode resonance. IEEE Photon J 2018; 10(4): 6803010. DOI: 10.1109/JPHOT.2018.2857505.
  • Lin H, Huang C. Linear variable filter based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE Photon Technol Lett 2016; 28(9): 1042-1045. DOI: 10.1109/LPT.2016.2524655.
  • Brückner F, Kroker S, Friedrich D, Kley E-B, Tünnermann A. Widely tunable monolithic narrowband grating filter for near-infrared radiation. Opt Lett 2011; 36(4): 436-438. DOI: 10.1364/OL.36.000436.
  • Hsiung CT, Huang C-S. Refractive index sensor based on gradient waveguide thickness guided-mode resonance filter. IEEE Sens Lett 2018; 2(4): 5001104. DOI: 10.1109/LSENS.2018.2883471.
  • Yang J-M, Yang N-Z, Chen C-H, Huang C-S. Gradient waveguide thickness guided-mode resonance biosensor. Sensors 2021; 21(2): 376. DOI: 10.3390/s21020376.
  • Triggs GJ, Wang Y, Reardon CP, Fischer M, Evans GJO, Krauss TF. Chirped guided-mode resonance biosensor. Optica 2017; 4(2): 229-234. DOI: 10.1364/OPTICA.4.000229.
  • Qian L, Wang K, Wu G, Zhu L, Han C, Yan C. Nonhomogeneous composite GMR structure to realize increased filtering range. Opt Express 2018; 26(18): 23602-23612. DOI: 10.1364/OE.26.023602.
  • Hung Y-J, Kao C-W, Kao T-C, Huang C-W, Lin J-J, Yin C-C. Optical spectrometer based on continuously-chirped guided mode resonance filter. Opt Express 2018; 26(21): 27515-57527. DOI:10.1364/OE.26.027515.
  • Yang N-Z, Hsiung C-T, Huang C-S. Biosensor based on two-dimensional gradient guided-mode resonance filter. Opt Express 2021; 29(2): 1320-1332. DOI: 10.1364/OE.408597.
  • Fang C, Dai B, Li Z, Zahid A, Wang Q, Sheng B, Zhang D. Tunable guided-mode resonance filter with a gradient grating period fabricated by casting a stretched PDMS grating wedge. Opt Lett 2016; 41(22): 5302-5305. DOI: 10.1364/OL.41.005302.
  • Moharam MG, Grann EB, Pommet DA, Gaylord TK. Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings. J Opt Soc Am A 1995; 12(5): 1068-1076. DOI: 10.1364/JOSAA.12.001068.
  • Li L. Formulation and comparison of two recursive matrix algorithms for modeling layered diffraction gratings. J Opt Soc Am A 1996; 13(5): 1024-1035. DOI: 10.1364/JOSAA.13.001024.
  • Tikhodeev SG, Yablonskii AL, Muljarov EA, Gippius NA, Ishihara T. Quasiguided modes and optical properties of photonic crystal slabs. Phys Rev B 2002; 66(4): 045102. DOI: 10.1103/PhysRevB.66.045102.
  • Bykov DA, Doskolovich LL. Numerical methods for calculating poles of the scattering matrix with applications in grating theory. J Light Technol 2013; 31(5): 793-801. DOI: 10.1109/JLT.2012.2234723.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp