Проблема того, как переключить световой сигнал на другой частотный канал или остановить его на время без перевода в электронный формат, уже давно занимает ученых. В частности, это позволит создать полностью оптические роутеры для увеличения скорости передачи данных.
Чтобы создавать такие новые, более быстрые линии передачи информации, ученым необходимо создавать более сложные оптические схемы, в которых было бы возможно контролируемое изменение частоты оптического сигнала, его сжатие, замедление. Нерешенность этих задач тормозит развитие телекоммуникаций.
За последние десятилетия ученые предложили несколько теорий и провели множество экспериментов, касающихся управлением светом с помощью динамического изменения индекса преломления. Группа исследователей, в которую входит сотрудник Университета ИТМО Александр Петров и его коллеги из Технического университета Гамбурга, Университета Минуфии, Центра Гельмгольца в Гистахте и Университета Йокогамы опубликовала совместную статью по этой тематике. В ней они обобщили опыт предыдущих поколений исследователей, а также показали, как небольшое изменение показателя преломления, движущееся по оптическому волноводу, можно использовать для эффективного управления светом.
Эксперименты с частотой и длиной волны
Некоторое время назад ученым удалось показать, что световой импульс, попавший в резонатор с меняющимся индексом преломления, может поменять свою частоту, то есть, по сути, изменить свой цвет. Этот эффект получил название «прямого перехода». Чтобы нагляднее объяснить происходящее, Петров сравнивает свет со звуком.
«Можно ли изменить частоту уже возбужденных колебаний так, чтобы энергия колебаний плавно перешла с одной частоты на другую? На этот вопрос может легко ответить тот, кто когда-то настраивал гитару. Если ударить по струне и, пока звук не угас, менять натяжение струны, то частота колебаний изменится. Это так называемое динамическое изменение частоты. При этом длина волны колебания, определенная длиной струны, остается постоянной. Можно показать, что такой же эффект произойдет и в случае волны, бегущей по струне. Если менять натяжение струны во время движения, то волна, запущенная из точки А на одной частоте, придет в точку Б на другой частоте. Удивительно, что длина волны в этом случае опять окажется неизменной. Подобные эффекты наблюдаются и в оптике», – рассказывает ученый.
Оптический сигнал может менять не только частоту, но и длину волны. Это происходит всякий раз, когда свет проходит через границу двух сред: воздуха и воды, воды и стекла. Если граница между двумя средами двигается, то при прохождении света может изменяться как длина волны, так и ее частота. В этом случае свет совершает так называемый непрямой переход.
«В обычных средах скорость распространения энергии света не зависит от частоты. В оптических волноводах и специальных средах ситуация может быть гораздо сложнее – с частотой меняется и скорость распространения. Представьте, что сигнал должен отразиться от движущейся границы, но из-за изменения частоты и соответственно скорости свет не может удалиться от нее», – поясняет Александр Петров.
Как остановить или поймать свет
Используя этот эффект, можно даже при определенных условиях остановить световой сигнал и сохранить его на некоторое время, чтобы потом передать с задержкой. Можно также и сжать световой сигнал для увеличения скорости передачи данных.
«Прохождение света через границу между двумя средами (через фронт) при некоторых условиях может быть использовано для полной остановки света. То есть, пройдя через фронт, свет попадает в состояние с нулевой групповой скоростью. Еще есть эффект, который получил название “оптической метлы” (optical push broom), так как фронт собирает свет на своем пути и сжимает его. Свет в данном случае подобен серферу на волне. Серфер направляет свою скорость так, чтобы не потерять волну, и, непрерывно скатываясь со склона, использует полученную энергию для компенсации силы трения о воду. В случае света правильно выбранное дисперсионное соотношение волновода тоже позволяет свету как бы поймать волну и, находясь на склоне фронта, получать энергию. Так как трение света отсутствует, дополнительная энергия используется для увеличения частоты», – рассказывает Александр Петров.
Практическое применение
Применений у данных эффектов, утверждают ученые, множество. В первую очередь увеличение скорости передачи данных. Это станет возможным благодаря созданию полностью оптического роутера, который действовал бы на этом принципе.
«Сейчас роутер считывает оптический сигнал, переводит его в электронный, позже он вновь конвертирует его в оптический. Это занимает время и требует дополнительной энергии. В оптическом роутере не будет перехода на электронные сигналы. Можно сразу оптический сигнал переключить на другой канал. Для этого можно взять пакет информации, пропустить через такой фронт внутри волновода и перескочить на другую частоту. Это не только повысит скорость, но и снизит затраты энергии, что важно для дата-центров, суперкомпьютеров», – поясняет исследователь.
Эффект оптической метлы поможет создавать импульсные лазеры на основе постоянного лазера, и использовать его в различных устройствах. Можно будет генерировать оптические импульсы с любой длиной волны не теряя энергии. Также можно будет генерировать оптические импульсы произвольной формы. Сейчас есть такие генераторы для микроволн, но не для света.
«Взаимодействие света с фронтом индекса преломления имеет еще много интересных задач. Недавно мы реализовали “оптическую метлу” в кремниевом волноводе. Пока нам не удалось измерить продолжительность импульса, собранного фронтом, но по спектральным характеристикам и из расчета мы ожидаем, что получили сжатие света примерно в 100 раз. В будущем мы планируем также остановить свет в волноводе», – заключает Александр Петров.
Статья: M.А. Gaafar, T. Baba, M. Eich, A. Yu. Petrov «Front-induced transitions», Nature Photonics, 2019.
