Оптические линии связи обладают высокой пропускной способностью и позволяют с большой скоростью передавать огромные массивы данных. Именно поэтому научные коллективы по всему миру уже давно работают над исследованиями в области создания оптического компьютера на чипе, который позволил бы осуществлять все операции с данными исключительно за счет потенциала фотонно-оптических технологий.
Но, чтобы управлять светом на наномасштабе, обычный свет не подходит — он обладает слишком большой длиной волны. Для этого необходимо работать с поверхностными волнами, исследование которых также ведется различными научными коллективами. Для передачи сигнала посредством таких волн необходимо научиться эффективно управлять их распространением. В частности, необходимы устройства, называемые демультиплексорами, которые позволяют пространственно разделять поверхностные волны на разных частотах. Причем чем более чувствительным это устройство будет к изменению длины волны, тем больше сигналов, чья частота лежит в рабочей полосе, можно будет одновременно обрабатывать, что определяет скорость обработки оптического сигнала. Еще одно важное условие: чтобы в перспективе стать базовым элементом для устройств, предназначенных для оптической обработки информации на чипе, в отличие от существующих демультиплексоров для поверхностных волн размером не менее 5 на 5 микрон, новый демультиплексор должен быть значительно меньше.
Концепцию такого компактного устройства на основе диэлектрических частиц предложила группа ученых из Университета ИТМО. В рамках работ, поддержанных грантом Российского Научного Фонда (#15-12-20028), исследователи лаборатории «Метаматериалы» впервые теоретически предсказали и экспериментально продемонстрировали способ эффективно управлять распространением поверхностных волн с помощью диэлектрических наноантенн диаметром не более 150 нанометров.
«Мы много и давно исследуем такие частицы в нашей лаборатории. Одно из их замечательных свойств — это наличие у них магнитного отклика на оптических частотах, что довольно-таки необычно. Определенные применения магнитному отклику уже были, но оказалось, что это свойство можно использовать для направленного запуска поверхностных волн. Такого до нас никто не предлагал. Мы написали очень простую теоретическую модель и провели эксперимент. И на удивление эта теоретическая модель очень хорошо описала результаты эксперимента. Таким образом, мы впервые продемонстрировали, что можно направленно на одной маленькой частице диаметром 150 нанометров эффективно запускать поверхностные плазмоны (представляют собой резонансные колебания электронов в приповерхностном слое металла под действием внешнего электрического поля — прим. ред.) и разделять их по длине волны. При этом удалось разделить плазмоны, чья длина волны различается всего на 10 нанометров, причем при эксперименте оказалось, что чувствительность даже выше, чем предсказала теория», — комментирует Иван Иорш, один из авторов статьи, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Исследователи отмечают, что разработанный способ позволит в будущем отказаться от использования больших устройств и разделять поверхностные волны по частоте, буквально располагая в нужных местах поверхности диэлектрические частицы с правильно подобранными параметрами. Среди перспективных устройств, которые могут быть созданы таким способом, — более компактные, но при этом сохраняющие высокую эффективность демультиплексоры, частотные фильтры, оптические маршрутизаторы для поверхностных волн. Метод является недорогим, однако теперь ученым предстоит продумать, как его промышленно масштабировать. Кроме того, в будущем группа исследователей планирует продолжать экспериментировать с геометрией частиц. Это может позволить значительно повысить чувствительность устройств — от десяти до одного нанометров.
Статья: Ivan S. Sinev, Andrey A. Bogdanov, Filipp E. Komissarenko, Kristina S. Frizyuk, Mihail I. Petrov, Ivan S. Mukhin, Sergey V. Makarov, Anton K. Samusev, Andrei V. Lavrinenko,Ivan V. Iorsh,Chirality Driven by Magnetic Dipole Response for Demultiplexing of Surface Waves, Laser & Photonics Reviews, 2017
