16.11.2016

Кремниевые наноантенны будут управлять светом

Коллектив физиков из Университета ИТМО, МФТИ и Техасского университета в Остине разработал устройство необычных наноантенн, способных рассеивать свет в желаемом направлении в зависимости от интенсивности падающего излучения, сообщается в пресс-релизе МФТИ. Достигнутые результаты открывают дорогу к гибкой обработке оптической информации в телекоммуникационных системах.

Одной из задач, для которых требуется «продвинутое» управление светом, является создание оптических компьютеров. В этих устройствах переносчиком информации являются не электроны, а фотоны. Использование света вместо заряженных частиц позволит в перспективе увеличить скорость передачи и обработки информации на порядки. В работе, опубликованной в Laser & Photonics Reviews, исследователи разработали устройство новой нелинейной наноантенны, которая позволяет изменять направление рассеяния света в зависимости от интенсивности падающей волны. Основой предлагаемой наноантенны служат кремниевые наночастицы, в которых под действием интенсивного лазерного излучения происходит генерация электронной плазмы. Авторы уже демонстрировали возможности таких наночастиц для нелинейного и сверхбыстрого управления светом. Тогда исследователям удалось управлять долей света, рассеянной вперед и назад. Теперь ученые смогли повернуть рассеянный пучок света в желаемую сторону в зависимости от интенсивности падающего света.

Для поворота диаграммы направленности наноантенны авторы воспользовались механизмом генерации плазмы в кремнии. Наноантенна представляет собой димер — две кремниевые наносферы различных диаметров. При облучении слабым лазерным пучком рассеяние света на такой антенне происходит в сторону вследствие несимметричной геометрии. Диаметры наночастиц выбраны так, что на длине волны лазера одна из них является резонансной. При облучении мощным лазерным импульсом в ней происходит интенсивная генерация электронной плазмы, что приводит к изменению оптических свойств этой частицы. Другая же частица – нерезонансная, и мощное поле лазера почти не влияет на ее свойства. Говоря грубо, при правильном выборе размеров двух частиц и параметров падающего пучка (длительности и интенсивности), размеры частиц становятся эффективно «одинаковыми», и антенна переизлучает свет вперед.

«Существующие оптические наноантенны позволяют управлять светом в достаточно широких пределах. Однако, это умение обычно “зашито” в их геометрии и материалах, из которых сделана антенна, и простое изменение этих характеристик невозможно, — комментирует открытия аспирант МФТИ, один из авторов работы, Денис Баранов. — Наноантенна, которую мы разработали, позволяет динамически управлять своими свойствами. Когда вы светите на нее слабым импульсом — получаете один результат, а с сильным лазерным импульсом получаете совершенно другое поведение!».

Старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Макаров резюмирует: «В данной работе мы сфокусировались на разработке наноразмерного оптического чипа размером менее чем 200х200х500 нм, то есть в разы меньше длины волны фотона, носителя информации. Новый элемент позволит менять направление распространения световых импульсов со скоростью в сотни раз большей по сравнению с электронными аналогами. Наше устройство может позволить распределять сигнал в два оптических канала с чрезвычайно коротким интервалом, что очень важно для современных систем телекоммуникации».

Сегодня информация по оптоволокну передается с рекордными скоростями, до сотен Гбит/с. Однако ныне существующая электроника обрабатывает такой сигнал со скоростями всего лишь в несколько Гбит/с для одного элемента. Создание нелинейных оптических наноантенн позволит решить эту проблему. Быстродействие предложенной авторами антенны достигает 250 Гбит/с. Это откроет дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации. Нелинейная антенна, разработанная исследователями, предоставляет еще больше возможностей для управления светом на наномасштабе, которое необходимо для реализации фотонных компьютеров и различных устройств.

Источники:

1. polit.ru