Нaпрaвлeниeм движeния пoвeрxнoстныx плaзмoнныx вoлн, кoтoрыe испoльзуются в oптичeскиx микрoкoмпьютeрax для пeрeдaчи инфoрмaциoннoгo сигнaлa, мoжнo упрaвлять с пoмoщью диэлeктричeскиx нaнoчaстиц. Испoльзуя тaкoй эффект, ученым из Университета ИТМО удалось разработать демультиплексор со спектральным разрешением в 10 нанометров. Работа опубликована в Laser & Photonics Review.
Идея использовать световые импульсы для передачи информации применяется уже довольно давно и эффективно, например, на ней основан принцип работы оптоволоконного кабеля. Но для того, чтобы использовать ее для работы фотонного компьютера, который хочется еще и уместить на микрочип, использовать сами световые импульсы не получается из-за слишком большой длины волны. Чтобы решить эту проблему, ученые предлагают преобразовывать световую волну в поверхностные плазмонные поляритоны — квазичастицы, представляющие из себя резонансные колебания электронов в приповерхностном слое материала, которые возбуждаются внешним электромагнитным полем и распространяются вдоль поверхности материала. Однако использование их уже сейчас осложняется из-за отсутствия методов управления их движением в зависимости от частоты.
В своем новом исследовании группа физиков из Университета ИТМО предложила использовать для управления движением поверхностных волн диэлектрические наночастицы. Фактически каждая такая частица представляет из себя наноантенну, которая может принимать оптический сигнал в видимом диапазоне. Если поместить ее на подложку из золота, то, принимая входящий сигнал, она будет возбуждать в подложке необходимый поверхностный плазмонный поляритон.
Образующаяся квазичастица обладает магнитным откликом, поэтому направлением ее движения оказалось возможно управлять с помощью поляризованного света. Так, если наноантенна принимает p-поляризованный сигнал, в котором плоскость падения совпадает с направлением вектора электрического поля, то в ней возбуждается три независимых дипольных момента: магнитный дипольный момент вдоль одной из осей, и два электрических дипольных момента вдоль двух других осей. Взаимодействие этих дипольных моментов приводит к запуску поверхностного плазмонного поляритона в одном из направлений. При этом направление оказывается зависимым от длины волны принимаемого сигнала.
«Наличие магнитного отклика на оптических частотах у таких частиц — довольно-таки необычное свойство. Определенные применения магнитному отклику уже были, но оказалось, что это свойство можно использовать для направленного запуска поверхностных волн. Такого до нас никто не предлагал», — комментирует Иван Иорш, один из авторов статьи.
Принцип работы наноантенны. В зависимости от длины волны возбуждающего импульса магнитный отклик на воздействие со стороны диэлектрической наноантенны приводит к движению в разные стороны. I. S. Sinev et al./ Laser & Photonics Review, 2017
В своей работе в качестве такой антенны ученые использовали наносферу из кремния размером около 300 нанометров. Она может принимать оптические сигналы в видимой части спектра, образуя при этом квазичастицу диаметром около 150 нанометров. Спектральное разрешение такой системы составило около 10 нанометров, что даже превысило теоретические оценки.
Распространение поверхностного плазмонного поляритона при подаче на наноантенну поляризованного сигнала разной длины волны. I. S. Sinev et al./ Laser & Photonics Review, 2017
По словам ученых, используя такой эффект, можно создать демультиплексор для оптического компьютера — устройство, которое будет направлять полученный сигнал на необходимый выход. Минимальный размер современных устройств, которые могут выполнять такие функции сейчас составляет 5 на 5 микрон. Предложенный же механизм позволит не только значительно уменьшить их размер, но и резко увеличить спектральное разрешение.
Работа таких систем фактически может привести к возможности создания информационных каналов в фотонных компьютерах, в которых, правильно располагая на поверхности чипа диэлектрические антенны, поверхностные волны разных частот можно будет разделять и разводить в разные стороны.
Технологии фотонных компьютеров постоянно совершенствуются: если первый оптоэлектронный процессор разработали еще в 2015 году, то потом для них были разработаны, например, источники закрученного света. А недавно в качестве буфера обмена для оптических сигналов в фотонном компьютере предложили использовать звуковые колебания решетки.
Автор: Александр Дубов
