Silicon nanoantenner styrer lysspredning til optisk computing

Et team af fysikere fra ITMO University, MIPT, og University of Texas i Austin har udviklet en ukonventionel nanoantenna, der spreder lys i en bestemt retning afhængigt af intensiteten af ​​indfaldende stråling. Forskningsresultaterne vil hjælpe med udviklingen af ​​fleksibel optisk informationsbehandling i telekommunikationssystemer.

Fotoner - bærerne af elektromagnetisk stråling - har hverken masse eller elektrisk ladning. Det betyder, at lyset er relativt svært at kontrollere, I modsætning til, for eksempel, elektroner, som kan styres ved at anvende et konstant elektrisk felt. Imidlertid, enheder som nanoantenner muliggør en vis grad af kontrol over udbredelsen af ​​elektromagnetiske bølger.

Et område, der kræver den "avancerede" lysmanipulation, er udviklingen af ​​optiske computere. I disse enheder, informationen bæres ikke af elektroner, men ved fotoner. Brug af lys i stedet for ladede partikler har potentiale til i høj grad at forbedre hastigheden for at overføre og behandle information. At gøre disse computere til virkelighed kræver specifikke nanoantenner med egenskaber, der kan manipuleres på en eller anden måde - ved at anvende et konstant elektrisk eller magnetisk felt, for eksempel, eller ved at variere intensiteten af ​​indfaldende lys.

I papiret offentliggjort i Laser &fotonik anmeldelser , forskerne designede en ny ikke -lineær nanoantenna, der kan ændre retningen af ​​lysspredning afhængigt af intensiteten af ​​hændelsesbølgen (fig. 1). I hjertet af den foreslåede nanoantenna er siliciumnanopartikler, som genererer elektronplasma under hård laserstråling. Forfatterne demonstrerede tidligere mulighederne for at bruge disse nanopartikler til ikke -lineær og ultrahurtig kontrol af lys. Forskerne formåede derefter at manipulere dele af lysstråling spredt frem og tilbage. Nu, ved at ændre intensiteten af ​​indfaldende lys, de har fundet en måde at dreje en spredt lysstråle i den ønskede retning.

For at rotere strålingsmønsteret i nanoantenna, forfatterne brugte mekanismen for plasma -excitation i silicium. Nanoantenna er en dimer - to silicium -nanosfærer med ulige diametre. Bestrålet med en svag laserstråle, denne antenne spreder lyset sidelæns på grund af dets asymmetriske form (blå diagram i fig. 2A). Diameterne på de to nanopartikler vælges således, at en partikel er resonant ved laserlysets bølgelængde. Bestrålet med en intens laserpuls, elektronplasma genereres i resonanspartiklen, hvilket forårsager ændringer i partikelens optiske egenskaber. Den anden partikel forbliver ikke -resonant, og det kraftfulde laserfelt har ringe effekt på det. Generelt sagt, ved nøjagtigt at vælge den relative størrelse af begge partikler i kombination med parametrene for den indfaldende stråle (varighed og intensitet), det er muligt at gøre størrelsen af ​​partiklerne stort set det samme, som gør det muligt for antennen at hoppe lysstrålen fremad (rødt diagram i fig. 2a).

"Eksisterende optiske nanoantenner kan styre lys i et ret bredt område. Imidlertid, denne evne er normalt indlejret i deres geometri og de materialer, de er lavet af, så det er ikke muligt at konfigurere disse egenskaber på noget tidspunkt, "siger Denis Baranov, en ph.d. -studerende på MIPT og hovedforfatteren af ​​papiret. "Egenskaberne ved vores nanoantenna, imidlertid, kan ændres dynamisk. Når vi belyser det med en svag laserimpuls, vi får et resultat, men med en stærk impuls, resultatet er et helt andet. "

Forskerne udførte numerisk modellering af lysspredningsmekanismen, Fig. 2b. Simuleringen viste, at når nanoantenna belyses med en svag laserstråle, lyset spredes sidelæns. Imidlertid, belysning af nanoantenna med en intens laserimpuls fører til generering af elektronplasma i enheden, og spredningsmønsteret roterer med 20 grader (rød linje). Dette giver mulighed for at aflede svage og stærke hændelsesimpulser i forskellige retninger.

Sergey Makarov, en seniorforsker ved Institut for Nanofotonik og Metamaterialer ved ITMO University siger, "I dette studie, vi fokuserede på udviklingen af ​​en nanoskala optisk chip, der måler mindre end 200 × 200 × 500 nanometer. Dette er meget mindre end bølgelængden af ​​en foton, som bærer oplysningerne. Den nye enhed giver os mulighed for at ændre lysudbredelsesretningen med en meget bedre hastighed i forhold til elektroniske analoger. Vores enhed vil være i stand til at distribuere et signal til to optiske kanaler inden for meget kort tid, hvilket er ekstremt vigtigt for moderne telekommunikationssystemer. "

I dag, information overføres via optiske fibre med hastigheder på op til hundredvis af Gbit/s. Imidlertid, selv moderne elektroniske enheder behandler disse signaler ret langsomt, ved hastigheder på kun få Gbit/s for et enkelt element. Den foreslåede ikke -lineære optiske nanoantenna kan løse dette problem, da den kører med 250 Gbit/s. Dette baner vejen for ultrahurtig behandling af optisk information. Den ikke -lineære antenne udviklet af forskerne giver flere muligheder for at kontrollere lys i nanoskala, som kræves for med succes at kunne udvikle fotoniske computere og andre lignende enheder.