Optical differentiator based on a trilayer metal-dielectric structure

Рассмотрены оптические свойства резонансной структуры «металл–диэлектрик–металл», состоящей из верхнего металлического слоя, диэлектрического слоя и металлической подложки. С использованием модели многолучевой интерференции доказано, что коэффициент отражения указанной структуры может строго обращаться в нуль. Наличие нуля отражения позволяет использовать «металл–диэлектрик–металл»-структуру в качестве оптического дифференциатора. Приведенные результаты численного моделирования демонстрируют возможность оптического вычисления производной по пространственной координате и во времени. Полученные результаты могут найти применение при создании систем аналоговых оптических вычислений и оптической обработки информации. Optical properties of a resonant trilayer metal-dielectric-metal (MDM) structure that consists of an upper metal layer, a dielectric layer, and a metal substrate are investigated. Using a multiple wave interference model, we prove that the reflection coefficient of the MDM structure may strictly vanish. The existence of a reflectance zero makes it possible to use the MDM structure as an optical differentiator. The numerical simulation results presented demonstrate the possibility of optical computation of the first derivative with respect to either time or spatial variable. The obtained results may find application in novel analog optical computing and optical information processing systems.Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 19-19-00514) в части исследования оптических свойств МДМ-структуры (параграфы 1, 2), Российского фонда фундаментальных исследований (проект 18-07-00613) в части исследования МДМ-дифференциаторов (параграф 3) и Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части создания программных средств для моделирования работы дифференцирующих МДМ-структур (параграф 3)

Web Technologies in Distance Learning: Student Perception on the Advantages and Disadvantages

The pandemic has paved the way for a paradigm shift in most education systems, with the accelerated adoption of digital technology. Online learning has gained increased importance due to the availability and accessibility of Internet or Web technologies. This format of learning has offered students the opportunity to participate in educational courses and programs from rural and remote places. The COVID-19 pandemic has reinforced the importance of technologies and virtual learning in education. Internet technologies have helped to support the educational process and have allowed for more productive and interactive learning. There are different opinions in the academic environment concerning online education. As for learners' opinion on distance learning and Internet technologies, they are represented quite weakly in the literature. The purpose of this paper is to present students' perceptions of the advantages and disadvantages of using web technologies in distance learning during the pandemic year (by the example of Moscow State University of Food Production, Russia). In addition, it sheds light on students' habits of using Internet technologies and their digital preferences. The present study uses qualitative and quantitative research methods where the instrument is the questionnaire. In their questionnaires the students mentioned ten leading web technologies and two social networks. The collected data allow to divide the web technologies used in distance learning into three rating groups: the most popular, popular and less popular. The findings of the research could be used to explain and forecast the applying of web technologies for improving learning outcomes in higher education. © 2021 IEEE

Development of a software package for modeling and analysis of light diffraction on periodic structures of nanophotonics by the rigorous coupled-wave analysis

Работа посвящена разработке программного комплекса для моделирования и анализа дифракции света на многослойных дифракционных структурах. Сформулированы основные функциональные требования к программной системе моделирования. Описано архитектурное решение реализуемого комплекса, включающее в себя основные функциональные и логические слои системы с указанными способами их взаимодействия. Изучен и реализован метод фурье-мод расчета многослойных дифракционных структур, содержащих однородные слои и дифракционные решетки с одномерной периодичностью. Рассчитан и исследован поляризующий отражатель, состоящий из дифракционной решетки на поверхности брэгговской решетки (одномерного фотонного кристалла) из небольшого числа периодов. Для заданного критерия отражения каждого из видов поляризаций найдены оптимальные параметры структуры. Исследована область параметров, соответствующих критерию отбора. Проведено исследование влияния изменения геометрических параметров структуры на рабочие характеристики отражателя. The subject of this article is the development of software package which it is possible to simulate and study the propagation of a plane electromagnetic wave on a multilayer diffraction grating with. The main functional requirements to the system are emphasized. The architectural solution of the implemented complex including the main functional and logical layers of the system with the specified methods of their interaction is described. The method allowing to model multilayer diffraction structures localized layers and diffraction gratings with one-dimensional periodicity is studied and implemented. A polarizing reflector consisting of a diffraction grating on the Bragg grating surface with a small number of periods is calculated and investigated. The optimal parameters of the structure are found for the given reflection criterion of each polarization type. The area of parameters corresponding to the selection criterion is investigated. The influence of changes in the geometric parameters of the structure on the reflector performance characteristics was studied

Low-scattering Bragg gratings for surface plasmon polaritons

В работе на основе численного моделирования методом фурье-мод исследовались эффективность и потери на рассеяние и поглощение диэлектрических брэгговских решеток для поверхностных плазмонных поляритонов (ППП). Показано, что основной причиной снижения эффективности брэгговских рефлекторов является паразитное рассеяние ППП на ступеньках решетки. В качестве эффективного способа уменьшения рассеяния предлагается увеличение периода решётки при постоянном аспектном отношении, что позволяет увеличить коэффициент отражения более чем на 30%. Показано также, что использование двухслойной геометрии ступенек решётки позволяет увеличить отражательную способность ещё на 3,5%. In this work, diffraction efficiency and scattering and absorption losses in dielectric Bragg gratings for surface plasmon polaritons (SPP) are numerically studied using the Fourier modal method. We demonstrate that the main reason of low efficiency of such Bragg reflectors is the parasitic scattering of SPP at the grating ridges. As an efficient technique for decreasing the scattering losses, an increase in the grating period at fixed aspect ratio is proposed, which leads to a 30% increase in the reflector efficiency. We also show that the utilization of two-layer grating ridges makes it possible to increase the reflectivity by another 3.5%Работа выполнена при поддержке Федерального агентства научных организаций (соглашение No 007-ГЗ/Ч3363/26) и грантов РФФИ 17-47-630323 и 16-29-11683

Adaptive spatial resolution in Fourier modal method for 1D-periodic structures implemented as a coordinate transform based on the error function

Метод фурье-мод – один из наиболее развитых и широко используемых методов численного решения уравнений Максвелла, предназначенных для моделирования дифракции света на периодических структурах. Для улучшения сходимости метода используется так называемое адаптивное пространственное разрешение, реализованное в виде специального нелинейного преобразования координат. В настоящей работе предложена форма такого преобразования координат на основе функции ошибки (erf) для структур с одномерной периодичностью и продемонстрирована ее высокая эффективность. Fourier modal method is one of the most well-developed and widely used methods for the numerical solution of Maxwell's equations, intended for the simulation of the diffraction of light on periodic structures. In order to improve the convergence of the method, so-called adaptive spatial resolution implemented as a special nonlinear coordinate transformation is used. In the present work, a form of such a coordinate transformation based on the error function (erf) for structures with 1D-periodicity is proposed, and its high efficiency is demonstrated

Optical differentiator based on a trilayer metal-dielectric structure

Optical properties of a resonant trilayer metal-dielectric-metal (MDM) structure that consists of an upper metal layer, a dielectric layer, and a metal substrate are investigated. Using a multiple wave interference model, we prove that the reflection coefficient of the MDM structure may strictly vanish. The existence of a reflectance zero makes it possible to use the MDM structure as an optical differentiator. The numerical simulation results presented demonstrate the possibility of optical computation of the first derivative with respect to either time or spatial variable. The obtained results may find application in novel analog optical computing and optical information processing systems

Method for calculating the eikonal function and its application to design of diffractive optical elements for optical beam shaping

We develop a method for calculating the eikonal function (or the phase function) of the light field, ensuring the formation of a prescribed irradiance distribution in the geometrical optics approximation. In the proposed method, the problem being solved is formulated in a semi-discrete form as a problem of the maximization of a concave function. For finding the solution to the latter problem, a gradient method is used, with analytical expressions obtained for the gradient. Using the developed method, we calculate an eikonal function that provides the formation of a “discontinuous” hexagram-shaped irradiance distribution. We demonstrate that the use of the solution obtained in the framework of the geometrical optics as an initial approximation in iterative Fourier transform algorithms allows one to calculate diffractive optical elements having a quasi-regular microrelief

Three-layer diffraction structure for spatiotemporal differentiation of optical signals

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.Работа выполнена за счёт гранта РНФ 14-19-00796