Миллиард раз в секунду: ученые ИТМО создали кремниевую пленку для сверхбыстрого управления светом

Метаповерхности — это искусственные ультратонкие материалы, которые используются в оптике для управления светом. За счет точно рассчитанной геометрии наноотверстий их можно «запрограммировать» под нужные функции: например, в качестве высокоточного фильтра для одной длины волны или как сверхтонкую линзу для фокусировки луча. Такая оптика получается очень компактной и совместимой со стандартными техпроцессами выпуска микрочипов, поэтому ее можно интегрировать в микроэлектронику. Однако обычно такие структуры создают под конкретную задачу, поэтому после производства их свойства нельзя изменить. Это не позволяет динамически управлять светом — например, быстро включать и выключать сигнал при передаче данных.

Совместная группа ученых Нового физтеха и института фотоники ИТМО, Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и Харбинского инженерного университета в Китае создала первую в мире метаповерхность, которую можно модулировать внешним сигналом и управлять ее свойствами в среднем инфракрасном диапазоне. Стандартно метаповерхности изготавливают на подложках из стекла или сапфира, но эти материалы поглощают излучение и ослабляют оптический сигнал. В работе команда исследователей предложила иной подход — сделать мембрану толщиной всего один микрометр, примерно в 50 раз тоньше человеческого волоса, которая свободно висит в воздухе, не опираясь на подложку. При таких параметрах кремний прозрачен, а геометрия наноотверстий (расположение, форма и размер) подобраны так, чтобы вся структура работала как точный оптический резонансный фильтр, фильтруя излучение только на определенной длине волны.

Качество такого резонатора характеризуют добротностью Q — она показывает, сколько колебаний успевает совершить свет внутри, прежде чем погаснуть. Здесь показатель Q может достигать 3000. Благодаря такой высокой добротности и прозрачности метаповерхности можно точно управлять инфракрасным лучом: даже слабое внешнее воздействие заметно меняет прозрачность мембраны и ослабляет или пропускает проходящий сквозь нее свет.

«Команда физиков из Швейцарии  сначала спроектировала метаповерхность и провела расчеты ее линейных оптических свойств — например, как она будет пропускать и отражать свет в зависимости от геометрии отверстий. Затем мы рассчитали, как быстро такие структуры смогут изменять свои оптические свойства — например, переключаться из прозрачного состояния в непрозрачное за доли наносекунды. Сама структура была изготовлена и охарактеризована в Лозанне. А эксперименты по сверхбыстрому переключению прошли в нашем совместном центре с Харбинским инженерным университетом в Циндао (Китай)», — рассказал ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО, руководитель научной группы Михаил Петров.

Управлять состоянием метаповерхности можно электрическим и оптическим способами. В первом случае на мембрану подают напряжение в пять вольт — стандартный уровень для микрочипов. Мембрана нагревается и становится менее прозрачной, чтобы ослабить луч. Во втором способе мембрану подсвечивают коротким лазерным импульсом. В кремнии возникают свободные электроны, которые снижают прозрачность, и оптические свойства материала меняются почти мгновенно.

«При воздействии электричеством скорость переключения ограничена временем нагрева и остывания мембраны. Оптический режим работает иначе: лазерный импульс меняет свойства кремния почти мгновенно, поэтому время переключения составило считанные наносекунды, а частота модуляции достигла порядка гигагерца — миллиард переключений в секунду. Это сравнимо с тактовой частотой современных процессоров, только в нашем случае обработка сигналов идет напрямую светом», — пояснил главный научный сотрудник физического факультета ИТМО, руководитель научной группы Сергей Макаров.

Такие метаповерхности могут стать основой для компактных спектрометров, определяющих химический состав веществ, для чувствительных элементов тепловизоров и систем защищенной оптической связи, где данные кодируются прямо в световом луче.

Исследования поддержаны проектом «Метаструктуры нанофотоники для оптических вычислений» программы «Приоритет 2030». Работа продолжается: ученые осваивают управление поляризацией света — то есть направлением его колебаний. В перспективе это может кратно увеличить объем передаваемой информации по одному оптическому каналу.

Над проектом работала команда исследователей из недавно созданного Института фотоники ИТМО. Он ориентирован на разработку инфраструктуры для задач искусственного интеллекта, включая оптические вычисления.