Коллектив физиков из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) и разработали способ использования наночастиц из кремния для эффективного нелинейного управления светом. Результаты работы могут применяться при разработке оптических устройств на основе кремниевых наночастиц с богатым функционалом, позволяющим, например, пропускать, отражать или рассеивать свет в любое выбранное направление в зависимости от его интенсивности. На их основе можно создавать миниатюрные чипы для сверхбыстрой обработки информации в оптических линиях связи и оптических компьютерах будущего, сообщает пресс-служба МФТИ. Отче об исследовании опубликован в журнале ACS Photonics.

Для передачи информацию по оптокволокну обычно используются электромагнитные волны, работающие в инфракрасном и видимом диапазоне. Принимают и излучают сигнал антенны, причем для гибкой обработки поступающего сигнала зачастую требуется, чтобы антенна была перестраиваемой, то есть чтобы ее 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. 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», - приводятся в пресс-релизе пояснения к постановке проблемы и ее решении одного из авторов работы, аспиранта МФТИ  Дениса Баранова.



Для достижения нелинейного переключения авторы исследовали диэлектрическую наноантенну – сферическую наночастицу из кремния, обладающую оптическими резонансами. В сферических частицах любых размеров наблюдаются оптические резонансы, а резонансные длины волн определяются именно размером частицы. 

«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 такие частицы привлекательными для усиления всевозможных оптических эффектов в наномасштабе», - приводятся пояснения в сообщении.

Кремний - это полупроводник, и при обычных условиях его зона проводимости практически не заселена электронами. Однако, под воздействием мощного и очень короткого, около 100 фемтосекунд, 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.

На данных полученных в результате экспериментов, учёные построили аналитическую модель, описывающую сверхбыструю нелинейную динамику рассматриваемой наноантенны. Модель показывает, что за очень короткое время – порядка 100 фемтосекунд – диаграмма рассеяния антенны кардинально меняется: если до прихода импульса частица рассеивает примерно одинаковое количество энергии вперёд и назад, то после действия короткого импульса антенна переключается в режим практически идеального рассеивания вперёд. Как полагают ученые, такая антенна может достигать скорости до 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», - приводятся в тексте пояснения старшего научного сотрудника кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергея Макарова.