Как достичь сверхбыстрой обработки оптической информации

Результаты исследования, опубликованного в ACS Photonics, могут применяться при разработке оптических устройств на основе кремниевых наночастиц с богатым функционалом. Они, например, позволят пропускать, отражать или рассеивать свет в любое выбранное направление в зависимости от его интенсивности. Также на их основе можно создавать миниатюрные чипы для сверхбыстрой обработки информации в оптических линиях связи и компьютерах будущего.

Электромагнитные волны используются в качестве переносчика информации в самом широком диапазоне частот  –  от радиоволн для передачи радиосигнала по воздуху до инфракрасного и видимого диапазона, используемого в телекоммуникациях для передачи информации по оптоволокну. Для излучения, приёма и обработки такой информации нужны антенны – устройства, способные эффективно излучать в определённом направлении, или, наоборот, принимать сигнал. Для гибкой обработки поступающего сигнала зачастую нужно, чтобы антенна была перестраиваемой  –  иначе говоря, чтобы её характеристики можно было изменять в процессе работы.

Одним из возможных решений является нелинейная антенна, рабочие характеристики которой перестраиваются под действием самого падающего излучения. «Особенно актуальна и в то же самое время затруднительна разработка подобных устройств в видимом и инфракрасном диапазоне частот, – комментирует результаты исследований аспирант МФТИ, один из авторов работы, Денис Баранов. – Сегодня мы умеем передавать информацию по оптоволокну с рекордными скоростями, до сотен Гбит/с. Однако кремниевая электроника не позволяет обрабатывать информацию настолько быстро. Создание нелинейных оптических наноантенн позволит нам решить эту проблему и откроет дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации». Для достижения нелинейного переключения физики исследовали диэлектрическую наноантенну – сферическую наночастицу из кремния, обладающую оптическими резонансами. Резонансы наблюдаются в сферических частицах любых размеров, при этом резонансные длины волн определяются именно размером частицы. Первый из таких резонансов, наблюдающийся для самой большой длины волны  –  магнито-дипольный резонанс. На определённой длине волны падающий свет возбуждает в частице круговой электрический ток, подобный току, текущему по замкнутой цепи. В кремнии из-за высокого значения его коэффициента преломления магнитно-дипольный резонанс наблюдается в оптической области частот уже для наночастиц диаметром около 100 нм, что делает их привлекательными для усиления всевозможных оптических эффектов в наномасштабе. Коллектив учёных использовал резонансы кремниевых наносфер для усиления комбинационного рассеяния. Механизмом, обеспечивающим нелинейное изменение характеристик антенны, является генерация электронной плазмы в кремнии. Это полупроводник, и при обычных условиях его зона проводимости практически не заселена электронами. Однако под воздействием мощного и очень короткого (~ 100 фемтосекунд, т.е. 10-13 секунды) лазерного импульса, электроны переходят в зону проводимости. Это значительно меняет свойства кремния и самой наноантенны, которая начинает переизлучать падающий свет в направлении падающего импульса. Таким образом, запуская короткий и интенсивный импульс на частицу, можно динамически влиять на её характеристики как антенны.

В целях демонстрации возможности сверхбыстрого переключения наноантенны, исследователи провели серию экспериментов с массивом кремниевых наночастиц, в ходе которых измерялось прохождение через массив мощного короткого лазерного импульса. Обнаружилось, что коэффициент прохождения  через структуру меняется на несколько процентов в течение 100 фемтосекунд и постепенно возвращается к своему начальному значению. Опираясь на полученные экспериментальные данные, учёные построили аналитическую модель, описывающую сверхбыструю нелинейную динамику рассматриваемой наноантенны, генерацию и релаксацию электронной плазмы в кремнии. Модель показывает, что за очень короткое время  –  порядка 100 фемтосекунд  –  диаграмма рассеяния антенны кардинально меняется. В то время как до прихода импульса частица рассеивает примерно одинаковое количество энергии вперёд и назад, после действия короткого импульса антенна переключается в режим практически идеального рассеивания вперёд. Теоретические оценки, подкреплённые экспериментом, позволяют сделать вывод о быстродействии такой антенны на уровне 250 Гбит/с, в то время как традиционная кремниевая электроника позволяет добиться скоростей всего лишь до десятков Гбит/с для одного элемента.

«Результаты работы демонстрируют высокий потенциал кремниевых наночастиц для создания на их основе сверхбыстрых оптических наноустройств. Построенная нами модель может быть использована для разработки и более сложных наноструктур, содержащих кремниевые частицы, которые позволят управлять светом совершенно непривычным способом. Например, в дальнейшем мы планируем не только изменять амплитуду оптического сигнала, но и поворачивать его на нужный угол за ультракороткое время», – отмечает старший научный сотрудник кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Макаров.

Источник: STRF.ru