Группа исследователей фотоники из Университета Тампере представила новый метод управления световым лучом с помощью другого луча через уникальную плазмонную метаповерхность в линейной среде при сверхнизкой мощности. Этот простой метод линейного переключения делает нанофотонные устройства, такие как оптические вычислительные и коммуникационные системы, более устойчивыми, требующими низкой интенсивности света.

Полностью оптическое переключение — это модуляция сигнального света за счет управляющего света таким образом, что он обладает функцией преобразования включения/выключения. В общем, световой пучок можно модулировать другим интенсивным лазерным лучом в присутствии нелинейной среды.

Метод переключения, разработанный исследователями, в основном основан на квантовом оптическом явлении, известном как повышение показателя преломления (EIR).

«Наша работа является первой экспериментальной демонстрацией этого эффекта на оптическую систему и его использования для линейного полностью оптического переключения. Исследование также помогает научному сообществу создать плазмонные устройства с компенсацией потерь, работающие на резонансных частотах, за счет необычайного увеличения показателя преломления без с использованием любых усиливающих сред или нелинейных процессов», — говорит Хумейра Каглаян, адъюнкт-профессор фотоники в Университете Тампере.

Оптическое переключение со сверхвысокой скоростью

Высокоскоростное переключение и среда с низкими потерями, позволяющая избежать сильного рассеивания сигнала при распространении, являются основой для разработки интегрированной фотонной технологии, в которой фотоны используются в качестве носителей информации вместо электронов. Для реализации внутрикристальных сверхбыстрых полностью оптических коммутационных сетей и фотонных центральных процессоров полностью оптическая коммутация должна иметь сверхбыстрое время переключения, сверхнизкую пороговую мощность управления, сверхвысокую эффективность переключения и наноразмерные характеристики.

«Переключение между значениями сигнала 0 и 1 является фундаментальным для всех цифровых электронных устройств, включая компьютеры и системы связи. За последние десятилетия эти электронные элементы постепенно становились меньше и быстрее. секунд невозможно было сделать на старых компьютерах размером с комнату даже за несколько дней», — отмечает Чаглаян.

В традиционной электронике переключение основано на управлении потоком электронов в микросекундном ( ^10-6 с) или наносекундном ( ^10-9 с) диапазоне путем подключения или отключения электрического напряжения.

«Однако скорость переключения можно поднять до сверхбыстрого временного масштаба (фемтосекунды 10 ^-15 с), заменив электроны плазмонами. Плазмоны представляют собой комбинацию фотонов и скопления электронов на поверхности металлов. Это позволяет осуществлять оптическое переключение с наше устройство с фемтосекундными ( ^10-15 секунд) скоростями», — заявляет она.

«Наш плазмонный нанопереключатель состоит из L-образной комбинации металлических наностержней. Один из наностержней получает линейно поляризованный сигнал, а другой получает другой линейно поляризованный «управляющий» луч, перпендикулярный первому лучу», — говорит научный сотрудник с докторской степенью Ракеш Дхама. , первый автор статьи, опубликованной в Nature Communications.

Поляризация означает направление, в котором колеблется электрическое поле луча. Управляющий луч может ослаблять или усиливать сигнал в зависимости от разности фаз между лучами. Разность фаз относится к разнице во времени, когда каждый луч достигает максимальной интенсивности. Усиление сигнала происходит за счет передачи части оптической энергии от управляющего луча к сигналу через конструктивную суперпозицию с тщательно спроектированной разностью фаз.

Повышение производительности плазмонных устройств

Точно так же затухание сигнала достигается деструктивным наложением, когда лучи имеют противоположную разность фаз. Это открытие делает нанофотонные устройства, такие как оптические вычисления и системы связи, более устойчивыми, требующими низкой интенсивности света. Этот простой метод линейного переключения может заменить современные методы оптической обработки, вычислений или связи, ускорив разработку и реализацию наноразмерных плазмонных систем.

«Мы ожидаем увидеть дальнейшие исследования плазмонных структур с использованием нашего улучшенного метода переключения и, возможно, использование нашего метода в плазмонных цепях в будущем. фемтосекундных лазерных импульсов и для исследования нелинейного усиления и управления плазмонными наночастицами», — отмечает Хьюмейра Каглаян.

Управление нелинейным откликом наноструктур обеспечивает еще более интересные приложения и функциональные возможности для нанофотонных устройств, таких как оптические вычисления и системы связи.

«Этот подход также может повысить производительность плазмонных устройств за счет создания широкополосной прозрачности для сигнального луча без какой-либо усиливающей среды. Он может открыть несколько способов разработки интеллектуальных фотонных элементов для интегрированной фотоники», — говорит Кагалаян.