Спектральные свойства нелинейных поверхностных поляритонов среднего ИК-диапазона в структуре «полупроводник–слоистый метаматериал»
Паняев И.С., Санников Д.Г.

 

Ульяновский государственный университет

Аннотация:
Рассмотрены спектральные свойства поверхностных TM-волн (поляритонов) в направляющей структуре на основе узкозонного полупроводника (n?InSb) и слоистой нанокомпозитной среды (метаматериала) в среднем ИК-диапазоне (5÷20 мкм). Метаматериал обладает слабой гиротропией и содержит намагниченные до насыщения слои висмут-содержащего феррит-граната (BLIG, Lu3?xBixFe5?yGayO12) и галлий-гадолиниевого граната (GGG, Gd3Ga5O12). Решения дисперсионных уравнений исследованы для случаев линейного и нелинейного откликов полупроводника. Для аналитического описания нелинейного отклика структуры использованы «одноосное» (продольное) и «двуосное» описания, получены дисперсионные спектры для константы распространения, полевые и энергетические характеристики поляритонов и проведен их сравнительный анализ. Найдены области появления солитоноподобных волновых полей поверхностных поляритонов в каждом из использованных методов описания системы. Показано, что «одноосная» модель может стать непригодной для построения полей и потоков электромагнитной энергии в структурах на основе сред с кубической нелинейностью.

Ключевые слова:
поверхностные поляритоны, нелинейность, слоистый метаматериал, полупроводник, диэлектрическая проницаемость.

Цитирование:
Паняев, И.С. Спектральные свойства нелинейных поверхностных поляритонов среднего ИК-диапазона в структуре «полупроводник – слоистый метаматериал» / И.С. Паняев, Д.Г. Санников // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 2. – С. 183-191. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-2-183-191.

Литература:

  1. Агранович, В.М. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / В.М. Агранович, Д.Л. Миллс. – Москва: Наука, 1985. – 525 с.
  2. Дмитрук, Н.Л. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках / Н.Л. Дмитрук, В.Г. Литовченко, В.Л. Стрижевский. – Киев: Наукова думка, 1989. – 376 с.
  3. Nonlinear surface electromagnetic phenomena / ed. by H.-E. Ponath, G.I. Stegeman. – Amsterdam: Elsevier Science, 1991. – 654 p. – ISBN: 978-0-444-88359-9.
  4. Haus, J.W. Fundamentals and applications of nanophotonics / J.W. Haus. – Amsterdam: Woodhead Publishing, 2016. – 426 p. – ISBN: 978-1-78242-464-2.
  5. All-optical signal processing: Data communication and storage applications / ed. by S. Wabnitz, B. Eggleton. – New York: Springer, 2015. – 512 p. – ISBN 978-3-319-14992-9.
  6. Maier, S.A. Plasmonics: Fundamentals and applications / S.A. Maier. – New York: Springer US, 2007. – 224 p. – ISBN: 978-0-387-33150-8.
  7. Boardman, A.D. Nonlinear waves in solid state physics / A.D. Boardman, M. Bertolotti, T. Twardowski. – New York, London: Plenum Press, 1990. – 508 p. – ISBN: 978-0-306-43811-0.
  8. Shadrivov, I.V. Nonlinear surface waves in left-handed materials / I.V. Shadrivov, A.A. Sukhorukov, Yu.S. Kivshar, A.A. Zharov, A.D. Boardman, P. Egan // Physical Review E. – 2004. – Vol. 69, Issue 1. – 016617. – DOI: 10.1103/PhysRevE.69.016617.
  9. Bludov, Y.V. Nonlinear TE-polarized surface polaritons on grapheme / Y.V. Bludov, D.A. Smirnova, Yu.S. Kivshar, N.M.R. Peres, M.I. Vasilevsky // Physical Review B. – 2014. – Vol. 89, Issue 3. – 035406 (6 p.). – DOI: 10.1103/PhysRevB.89.035406.
  10. Panyaev, I.S. Four-layer nanocomposite structure as an effective optical waveguide switcher for near-IR regime / I.S. Panyaev, N.N. Dadoenkova, Yu.S. Dadoenkova, I.A. Rozhleys, M. Krawczyk, I.L. Lyubchanckii, D.G. Sannikov // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2016. – Vol. 49, Issue 43. – 435103. – DOI: 10.1088/0022-3727/49/43/435103.
  11. Panyaev, I.S. Dispersive properties of optical TM-Type surface polaritons at a nonlinear semiconductor-nanocom­posite (BLIG/GGG) interface / I.S. Panyaev, D.G. Sannikov // Journal of Optical Society of America B. – 2016. – Vol. 33, Issue 2. – P. 220-229. – DOI: 10.1364/JO­SAB.33.000220.
  12. Паняев, И.С. Оптические поверхностные поляритоны TM-типа на границе нелинейный полупроводник − нанокомпозит / И.С. Паняев, И.А. Рожлейс, Д.Г. Санников // Физика твердого тела. – 2016. – Т. 58, № 3. – С. 577-584.
  13. Smirnov, Y.G. Guided electromagnetic waves propagating in a plane dielectric waveguide with nonlinear permittivity / Y.G. Smirnov, D.V. Valovik // Physical Review A. – 2015. – Vol. 91, Issue 1. – 013840. – DOI: 10.1103/Phys­RevA.91.013840.
  14. Agranovich, V.M. Dielectric permeability and influence of external fields on optical properties of superlattices / V.M. Agranovich // Solid State Communications. – 1991. – Vol. 78, Issue 8. – P. 747-750. – DOI: 10.1016/0038-1098(91)90856-Q.
  15. Ю, П. Основы физики полупроводников / П. Ю, М. Кардона; пер. с англ. – Москва: Физматлит, 2002. – 560 c. – ISBN: 5-9221-0268-0.
  16. Басс, Ф.Г. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешётками / Ф.Г. Басс, А.А. Булгаков, А.Г. Тетервов. – Москва: Наука, 1989. – 288 с. – ISBN: 5-02-014021-Х.
  17. Хаджи, П.И. К теории нелинейных p-поляризованных поверхностных волн / П.И. Хаджи, Е.С. Киселева // Журнал технической физики. – 1988. – Т. 58, Вып. 6. – С. 1063-1070.
  18. Ахмедиев, Н.Н. Новый класс нелинейных поверхностных волн – асимметричные моды в симметричной слоистой структуре / Н.Н. Ахмедиев // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1982. – Т. 83, № 2. – С. 545-553.
  19. Boardman, A.D. TE waves at an interface between linear gyromagnetic and nonlinear dielectric media / A.D. Boardman, M.M. Shabat, R.F. Wallis // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1991. – Vol. 24, Issue 10. – P. 1702-1707. – DOI: 10.1088/0022-3727/24/10/002.
  20. Joseph, R.I. Exact field decomposition for TM waves in nonlinear media / R.I. Joseph, D.N. Christodoulides // Optics Letters. – 1987. – Vol. 12, Issue 10. – P. 826-828. – DOI: 10.1364/OL.12.000826.
  21. Boyd, R.W. Nonlinear Optics / R.W. Boyd. – 3rd ed. – New York: Elsevier, 2008. – 614 p. – ISBN: 978-0123694706.
  22. Boardman, A.D. Exact theory of nonlinear p-polarized optical waves / A.D. Boardman, A.A. Maradudin, G.I. Ste­geman, T. Twardowski, E.M. Wright // Physical Review A. – 1987. – Vol. 35, Issue 3. – P. 1159-1164. – DOI: 10.1103/PhysRevA.35.1159.
  23. Wallenhorst, M. Enhancement of the nonreciprocal magneto-optic effect of TM modes using iron garnet double layers with opposite Faraday rotation / M. Wallenhorst, M. Niemöller, H. Dötsch, P. Hertel, R. Gerhardt, B. Gather // Journal of Applied Physics. – 1995. – Vol. 77, Issue 7. – P. 2902-2905. – DOI: 10.1063/1.359516.
  24. Звездин, А.К. Магнитооптика тонких плёнок / А.К. Звездин, В.А. Котов. – Москва: Наука, 1988. – 192 c. – ISBN: 5-02-013846-0.
  25. Кринчик, Г.С. Физика магнитных явлений / Г.С. Кринчик. – Москва: Издательство Московского университета, 1976. – 367 c.
  26. Рандошкин, В.В. Прикладная магнитооптика / В.В. Рандошкин, А.Я. Червоненкис. – Москва: Энергоатомиздат, 1990. – 320 c.
  27. Hibiya, T. Growth and characterization of liquid-phase epitaxial bi-substituted iron garnet films for magneto-optic application / T. Hibiya, Y. Morishige, J. Nakashima // Japanese Journal of Applied Physics. – 1985. – Vol. 24(1), Issue 10. – P. 1316-1319. – DOI: 10.1143/JJAP.24.1316.
  28. Wood, D.L. Optical properties of gadolinium gallium garnet / D.L. Wood, K. Nassau // Applied Optics. – 1990. – Vol. 29, Issue 25. – P. 3704-3707. – DOI: 10.1364/A­O.29.003704.
  29. Miller, D.A.B. Two beam optical signal amplification and bistability in InSb / D.A.B. Miller, S.D. Smith // Optics Communications. – 1979. – Vol. 31, Issue 1. – P. 101-104. – DOI: 10.1016/0030-4018(79)90254-2.
  30. Ахманов, С.А. Физическая оптика / С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. – 2-е изд. – Москва: Издательство МГУ, Наука, 2004. – 656 с. – ISBN: 5-211-04858-X.
  31. Wood, D.L. Effect of impurities on the optical properties of yttrium iron garnet / D.L. Wood, J.P. Remeika // Journal of Applied Physics. – 1967. – Vol. 38, Issue 3. – P. 1038-1045. – DOI: 10.1063/1.1709476.
  32. Breckenridge, R.G. Electrical and optical properties of intermetallic compounds. I. Indium antimonide / R.G. Breckenridge, R.F. Blunt, W.R. Hosler, H.P.R. Frederikse, J.H. Becker, W. Oshinsky // Physical Review. – 1954. – Vol. 96, Issue 3. – P. 571-575. – DOI: 10.1103/Phys­Rev.96.571.
  33. Уханов, Ю.И. Оптические свойства полупроводников / Ю.И. Уханов. – Москва: Наука, 1977. – 368 c.
  34. Maradudin, A.A. s-Polarized nonlinear surface polaritons / A.A. Maradudin // Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. – 1981. – Vol. 41, Issue 4. – P. 341-344. – DOI: 10.1007/BF01307323.
  35. Tomlinson, W.J. Surface wave at a nonlinear interface / W.J. Tomlinson // Optics Letters. – 1980. – Vol. 5, Issue 7. – P. 323-325. – DOI: 10.1364/OL.5.000323.
  36. Белецкий, Н.Н. Новый нерезонансный тип нелинейных поверхностных поляритонов / Н.Н. Белецкий // Физика твёрдого тела. – 1992. – Т. 34, № 5. – P. 1592-1598.
  37. Дикштейн, И.Е. Нелинейные самолокализованные поверхностные магнитные поляритоны в ферромагнитной среде / И.Е. Дикштейн, Д.С. Никитов, С.А. Никитов // Физика твердого тела – 1998. – Т. 40, № 10. – P. 1885-1889. – DOI: 10.1134/1.1130640.
  38. Albers, W.A. Jr. The physics of opto-electronic materials / W.A. Albers Jr. – New York: Plenum Press, 1971. – 281 p. – ISBN: 978-1-4684-1949-8.
  39. Boardman, A.D. Surface magneto-optic solitons / A.D. Boardman, M. Xie, K. Xie // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2003. – Vol. 36, Issue 18. – P. 2211-2217. – DOI: 10.1088/0022-3727/36/18/006.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20