Автореферат (Резонансные явления в активных и нелинейных наноструктурах фотоники)

на правах рукописиКарпов Денис ВикторовичРезонансные явления в активных и нелинейныхнаноструктурах фотоникиспециальность 01.04.07 - Физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 20172Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательскомАкадемическом университете Российской академии наукНаучный руководитель:Липовский Андрей Александровичдоктор физико-математических наук, профессор,профессор Санкт-Петербургского национальногоисследовательского Академического университетаРоссийской академии наукОфициальные оппоненты:Зубков Василий Ивановичдокторфизико-математическихнаук,доцент,профессор Санкт-Петербургского государственногоэлектротехнического университета «ЛЭТИ» им.В.И.

Ульянова (Ленина), г. Санкт-ПетербургКовалёв Вадим Михайловичкандидатфизико-математическихнаук,зав.лабораторией Института физики полупроводников им.А.В. РжановаСибирскогоотделенияРАН,г. НовосибирскВедущая организация:федеральное государственное бюджетное учреждениенауки «Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе» РАН, г. Санкт-ПетербургЗащита состоится «» _______ 2017 г. в __ часов на заседании диссертационногосовета Д 212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций при СанктПетербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург,Петродворец, ул. Ульяновская, д. 1, малый конференц-зал.

С диссертацией можноознакомиться в библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственногоуниверситета по адресу: 199034, Санкт- Петербург, Университетская наб., д.7/9.Диссертация и автореферат размещены на сайте СПбГУ disser.spbu.ru.Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 198504, СанктПетербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. 1, учёному секретарю диссертационногосовета Д 212.232.33 Поляничко А.М.Автореферат разослан «» _________ 2017 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.232.33канд. физ.-мат. наук, доцентПоляничко А.М.3Актуальность проблемыЛинейные и нелинейные оптические свойства сред на основе металлических иполупроводниковых наноструктур представляют большой интерес с точки зренияприложений.

Особый интерес представляют композитные среды, состоящие измезоскопических включений, которые существенно изменяют оптические свойстваматериала. Оптические свойства композита сильно зависят от формы и концентрациичастиц. В случае металлических наночастиц падающий свет может возбуждатьлокализованные плазмоны [1], что значительно меняет спектр поглощения материала,а также приводит к эффекту усиления комбинационного рассеяния света наповерхности частицы (SERS) [2], при этом положение резонанса сильно зависит отформы наночастиц [3]. Расчет эффективных характеристик материала полученноговытягиванием наночастиц с помощью фемтосекундных лазерных импульсов [4],позволяет определить аспектное отношение сфероида, концентрацию включений итолщину слоя с наночастицами на основе спектроскопических данных.Нелинейные оптические свойства стеклометаллических нанокомпозитов [5]также представляют интерес как для фундаментальных, так и для прикладныхисследований.

На поверхности стекла могут быть выращены металлическиенаночастицы, имеющие форму полусферы. По причине отсутствия центра симметриии из-за близости границы раздела стекло-металл такие частицы обладают ненулевойгиперполяризуемостью [6], которая определяет возможность генерации второйгармоники [7]. В случае полусферической наночастицы локальное электрическое полесветовой волны максимально в области острого края полусферы вблизи подложки, всвязи с этим оценка вклада острого края и определение области наибольшего выходанелинейного сигнала представляются важными.Вработетакжерассматриваютсяполупроводниковыекольцевыемикрорезонаторы [8] с активной средой на основе InAs/InGaAs квантовых точек. Такиеструктуры являются альтернативой структурам с квантовыми ямами благодарятемпературной стабильности лазеров на их основе, которая обусловлена трехмернымограничением носителей заряда в квантовой точке, и высокой добротности модшепчущейгалереивкольцевыхрезонаторах.Кольцевыемикрорезонаторыперспективны в качестве электрооптических модуляторов [9], а электрическинакачиваемые кольцевые резонаторы в сочетании с оптическими волноводами могут4быть использованы как оптические модуляторы в интегральных схемах, в том числедля применений в межчиповой и внутричиповой передаче данных, а также воптическихфильтрах[10].Разработкаметодикиизготовленияультрамалыхрезонаторов, использующих моды шепчущей галереи - важная задача с точки зренияих интеграции в оптические схемы и минимизации энергопотребления.

Использованиеэлектроннойлитографиидаетвозможностьдобитьсявысокогоразрешенияэкспозиции, что позволяет в дальнейшем обеспечить более гладкую боковуюповерхность, и значительно снизить порог генерации.Благодаря синтезу новых материалов (нитриды, органические полупроводники),в которых дипольный момент перехода велик по сравнению с традиционноиспользуемым арсенидом галлия, появилась возможность квазиконденсации экситонполяритонов в микрорезонаторах при комнатной температуре [11]. Это делаетисследование оптических свойств таких структур чрезвычайно важным с точки зренияприложений. Порог генерации поляритонного лазера на порядки ниже порога лазерана фотонах [12]. Полупроводниковые микрорезонаторы с некогерентной накачкой(электрической или оптической) могут иметь различные области применения, такиекак оптические маршрутизаторы [13], источники терагерцового излучения [14],скоростные оптические поляризационные переключатели [15].

В этом контекстеисследование микрорезонаторов с оптической накачкой является важной задачей.Увеличение времени жизни экситон-поляритонов в области с высокойконцентрацией поляритонов вследствие диссипативной нелинейности [16] - важныйэффект, который может существенно влиять на работу поляритонных устройств. Привключении в микрорезонатор насыщающегося поглотителя возможно образованиедиссипативных солитонов, что является следствием дополнительного нелинейногочлена в уравнении Гросса-Питаевского. Исследование оптических солитонов приреальных температурах является важным шагом в понимании свойств поляритонногоконденсата в присутствии насыщающегося поглотителя в микрорезонаторе.Цель работы1) Целью теоретической части работы является:a.моделированиеоптическихсвойствкомпозитныхметаллических нановключений эллипсоидальной формы,среднаоснове5b.получениеиисследованиевыраженийдлягиперполяризуемостинаноразмерной металлической полусферы, покрытой диэлектрической оболочкой, иоценка эффективности генерации второй гармоники такой структурой, учет влиянияострого края полусферы на интенсивность второй гармоники.c.

Описание эффекта образования диссипативных солитонов, обусловленногопоявлениемнеустойчивостииз-заобластейсразнымвременемжизнивмикрорезонаторах с насыщающимся поглотителем.d. Разработка теории электрически накачиваемого поляритонного лазера наоснове нитрида индия для случая, когда уравнения экситонного резервуара неявляются феноменологическими, а выводятся на основании микроскопической теории.2) Целью технологической части работы является:a. изготовление рекордно малых дисковых/кольцевых микрорезонаторов сквантовыми точками и демонстрация лазерной генерации в таких структурах прикомнатной температуре.b. Разработка методики по уменьшению механических напряжений путеммодификацииподложкикарбидакремниядлявыращиваниянанейвысококачественных пленок нитридных полупроводников.Научная новизна работыНаучная новизна работы состоит в решении следующих конкретных задач:1.

Разработке модели для описания экспериментального спектра поглощениянанокомпозита,Нанокомпозитсодержащегополученсэллипсоидальныепомощью модификацииметаллическиестекласовключения.сферическимисеребряными нановключениями фемтосекундным лазером.2. Теоретическом исследовании эффективности генерации второй гармоникинаноразмерной металлической полусферой, покрытой диэлектрической оболочкой.При этом получены выражения для гиперполяризуемости такой частицы и исследованазависимость гиперполяризуемости от материальных параметров.

Рассчитано усилениегенерации второй гармоники на частоте плазмонного резонанса. Оценено усилениелокального поля на остром крае полусферы.63. Разработке методики изготовления дисковых микрорезонаторов рекордно малогоразмера по сравнению с микрорезонаторами с квантовыми точками, полученнымиранее с помощью оптической литографии, демонстрации лазерной генерации прикомнатной температуре в этих микрорезонаторах. Выборе режимов травлениягетероструктуры, а также выбор первичной и вторичной маски.4. Разработке методики модифицикации поверхности пленки карбида кремния спомощью электронной литографии для последующего выращивания на такойподложке пленки нитрида алюминия (пендеоэпитаксия).