Трёхслойная дифракционная структура для пространственно-временного дифференцирования оптических сигналов

Abstract

Предложен оптический дифференциатор на основе трёхслойной дифракционной структуры, состоящей из узкого плоского диэлектрического волновода, окружённого с двух сторон слоями-обкладками. Дифференцирование оптического сигнала осуществляется при отражении за счет резонанса, связанного с возбуждением моды, локализованной в центральном слое. Добротность резонанса (ширина резонансного минимума) увеличивается с ростом толщины слоёв-обкладок. Теоретически обоснована и численно подтверждена возможность применения рассматриваемой структуры для выполнения операций дифференцирования первого и второго порядка огибающей падающего импульса (временное дифференцирование), профиля падающего пучка (дифференцирование по пространственной координате), а также так называемого пространственно-временного дифференцирования оптического сигнала (дифференцирование по направлению в пространстве (x,t)). Дифференцирование второго порядка выполняется системой из двух структур-дифференциаторов, расстояние между которыми выбирается в зависимости от угла падения оптического сигнала, его центральной частоты и фазы коэффициента пропускания на центральной частоте. Результаты численного моделирования методом фурье-мод демонстрируют высокую точность осуществляемого дифференцирования. Полученные результаты могут найти применение при разработке полностью оптических вычислительных устройств, более компактных и простых в изготовлении по сравнению с устройствами на основе метаповерхностей, представляющих собой массив нанорезонаторов. We propose an optical differentiator based on a three-layer structure composed of a parallel-plate dielectric wa-veguide surrounded by two identical cladding layers. The incident optical pulse is differentiated in reflection due to a resonance caused by excitation of a waveguide mode localized in the central (core) layer. The resonance quality factor (width of the resonance minimum) increases with the width of the cladding layers. We theoretically justify and numerically confirm that this structure can perform temporal differentiation (differentiation of an incident optical pulse envelope), spatial differentiation (differentiation of an optical beam profile) and the so-called "spatiotemporal differentiation" (differentiation of an optical signal envelope along a certain direction in the (x,t)-plane). Second order differentiation can be performed with a system of two differentiator elements separated with a homogenous layer the optical thickness of which is defined by the optical signal's angle of incidence, central frequency and the corresponding transmission coefficient phase. Simulation results obtained with RCWA confirm high accuracy of the performed operations. The proposed differentiator is more compact and easier to fabricate than metasurface-based devices incorporating periodically arranged nanoresonators and may find application in ultrafast analogue computing and signal processing systems.