Коллектив физиков из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), Московского физико-технического института и Техасского университета в Остине разработал устройство необычной наноантенны, способной рассеивать свет в желаемом направлении в зависимости от интенсивности падающего излучения. Статья об исследовании опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews, популярно о нем рассказывает пресс-служба ИТМО.

Одним из перспективных направлений в создании техники будущего является создание оптических компьютеров - устройств, в которых переносчиком информации являются не электроны, а фотоны. Использование света вместо заряженных частиц позволит в перспективе увеличить скорость передачи и обработки информации на порядки.

Одной из задач, которая стоит перед создателями оптических компьютеров, является умение "управлять" светом, то есть добиться того, чтобы фотоны перемещались в заданном направлении. Поскольку фотоны не обладают массой и электрическим зарядом, их движением в электронных структурах управляют, прикладывая постоянное электрическое поле. Одним из возможных решений проблемы управления фотонами является применение особых наноантенн, которые позволяют добиться определенной степени контроля при распространении электромагнитных волн.

Ранее ученые разработали устройство нелинейной наноантенны из кремния, которая позволила 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. Исследователям уже удалось управлять долей света, рассеянной вперед и назад. Теперь ученые смогли повернуть рассеянный пучок света в желаемую сторону в зависимости от интенсивности падающего света.

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 наноантенны. «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. При правильном выборе размеров двух частиц и параметров падающего пучка (длительности и интенсивности), размеры частиц становятся эффективно «одинаковыми», и антенна переизлучает свет вперед», - говорится в сообщении.



Ученые провели численное моделирование описанного механизма, и оказалось, что при облучении слабым лазерным пучком рассеяние происходит вбок и направление излучения практически не меняется за время действия импульса, (голубая кривая на изображении б). Если же облучать наноантенны интенсивным лазером, который приводит к генерации электронной плазмы, происходит поворот диаграммы на 20 градусов (красная кривая). Выбирая мощность излучения, ученые получают возможность отклонять в различные направлений слабый и сильный падающие импульсы.

«В данной работе мы сфокусировались на разработке наноразмерного оптического чипа размером менее чем 200×200×500 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», — приводится пояснение старшего научного сотрудника кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергея Макарова.

Как полагают авторы, создание нелинейных оптических наноантенн позволит решить проблему невысокой скорости обработки сигнала: если скорость передачи сигнала по оптоволокну достигает сотен Гбит/с, то скорость обработки информации составляет всего несколько Гбит/с для одного элемента. Скорость обработки сигнала при использовании предложенной авторами антенны сможет достичь 250 Гбит/с, что откроет дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации.