Электромагнитные волны используются в качестве переносчика информации в самом широком диапазоне частот. Для излучения, приема и обработки такой информации нужны антенны — устройства, способные эффективно излучать или принимать сигнал. В целях гибкой обработки сигнала зачастую требуются антенны с перестраиваемыми в процессе работы характеристиками. К таковым относится нелинейная антенна, чьи рабочие характеристики изменяются под воздействием падающего излучения.
«Особенно актуальна и в то же самое время затруднительна разработка подобных устройств в видимом и инфракрасном диапазонах частот, — комментирует результаты исследований аспирант МФТИ, один из авторов работы Денис Баранов. — 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».
В работе, опубликованной в ACS Photonics, для достижения нелинейного переключения авторы исследовали диэлектрическую наноантенну — сферическую наночастицу из кремния, обладающую оптическими резонансами.
Механизмом, обеспечивающим нелинейное изменение характеристик антенны, является генерация электронной плазмы в кремнии. Кремний — это полупроводник, и при обычных условиях его зона проводимости практически не заселена электронами. Однако под воздействием мощного и очень короткого (~ 100 фемтосекунд, т. е. 10-13 секунды) 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 ее характеристики. Способность наноантенны к сверхбыстрому переключению было доказано учеными экспериментально: авторы статьи обнаружили, что коэффициент прохождения через структуру меняется на несколько процентов в течение 100 фемтосекунд и постепенно возвращается к своему начальному значению.
Опираясь на полученные экспериментальные данные, ученые построили аналитическую модель, описывающую сверхбыструю нелинейную динамику рассматриваемой наноантенны, генерацию и релаксацию электронной плазмы в кремнии. Теоретические оценки, подкрепленные опытами, позволяют сделать вывод о быстродействии такой антенны 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 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», — отмечает старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Макаров.
Редакция новостного портала Университета ИТМО
