24.08.2016

Российские ученые работают над сверхбыстрыми оптическими системами передачи данных

optical-computer_0.jpg

Разрабатываемая группой ученых из российских вузов МФТИ и ИТМО, новая технология позволить создать миниатюрные чипы для сверхбыстрой обработки информации в оптических линиях связи и компьютерах будущего. Исследователи отмечают, что сегодня, несмотря на достигнутые высокие скорости передачи данных по оптоволокну, традиционная кремниевая электроника не позволяет также быстро обрабатывать информацию.

Молодые ученые считают, что создание нелинейных оптических наноантенн откроет дорогу к сверхбыстрой обработке оптической информации. Теоретические оценки, подкреплённые экспериментом, позволяют сделать вывод о быстродействии таких антенн на уровне 250 Гбит/с, в то время как традиционная кремниевая электроника это максимум десятки Гбит/с для одного элемента. Что предлагают наши исследователи?

Для достижения нелинейного переключения физики исследовали диэлектрическую наноантенну – сферическую наночастицу из кремния, обладающую оптическими резонансами. Резонансы наблюдаются в сферических частицах любых размеров, при этом резонансные длины волн определяются именно размером частицы. Первый из таких резонансов, наблюдающийся для самой большой длины волны – магнито-дипольный резонанс. На определённой длине волны падающий свет возбуждает в частице круговой электрический ток, подобный току, текущему по замкнутой цепи. В кремнии из-за высокого значения его коэффициента преломления магнитно-дипольный резонанс наблюдается в оптической области частот уже для наночастиц диаметром около 100 нм, что делает их привлекательными для усиления всевозможных оптических эффектов в наномасштабе. Коллектив учёных использовал резонансы кремниевых наносфер для усиления комбинационного рассеяния.

Механизмом, обеспечивающим нелинейное изменение характеристик антенны, является генерация электронной плазмы в кремнии. 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 её характеристики как антенны.

russian_scientists_0.jpg
НА ФОТО: российские разработчики сверхбыстрых оптических систем Александр Краснов (Университет ИТМО), Денис Баранов (МФТИ), Сергей Макаров (Университет ИТМО).

В целях демонстрации возможности сверхбыстрого переключения наноантенны, исследователи провели серию экспериментов с массивом кремниевых наночастиц, в ходе которых измерялось прохождение через массив мощного короткого лазерного импульса. Обнаружилось, 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, учёные построили аналитическую модель, описывающую сверхбыструю нелинейную динамику рассматриваемой наноантенны, генерацию и релаксацию электронной плазмы в кремнии. Модель показывает, что за очень короткое время – порядка 100 фемтосекунд – диаграмма рассеяния антенны кардинально меняется. В то время как до прихода импульса частица рассеивает примерно одинаковое количество энергии вперёд и назад, после действия короткого импульса антенна переключается в режим практически идеального рассеивания вперёд.

По мнению старшего научного сотрудника кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергея Макарова, «результаты работы демонстрируют высокий потенциал кремниевых наночастиц для создания на их основе сверхбыстрых оптических наноустройств. Построенная нами модель может быть использована для разработки и 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»

Использованы данные Управления по стратегическим коммуникациям Университета ИТМО.

Нравятся наши материалы? Вы можете помочь проекту!

1