Кремниевая наноструктура, активируемая лазерными импульсами, изменяет направление и форму светового пучка с рекордной скоростью — это предвещает полностью оптические вычисления
Наука и космос013:42
Международная команда физиков из Калифорнийского университета в Беркли и Тель-Авивского университета разработала метаповерхность, которая перестраивает направление и форму лазерного луча за 74 фемтосекунды (74×10-15 с). В устройстве отсутствуют зеркала, линзы или механические компоненты — управление осуществляется с помощью второго светового импульса, который изменяет оптические характеристики материала. Эксперимент, опубликованный в Nature Nanotechnology, продемонстрировал отклонение луча до ±13 градусов, а время переключения оказалось ограничено лишь длительностью управляющего импульса — что означает, что оно может быть еще короче.
Ключ к рекорду — оптический эффект Керра, при котором показатель преломления материала изменяется под воздействием интенсивного света. Этот эффект сам по себе является слабым, но обладает субфемтосекундным откликом: электронная поляризация вещества реагирует на поле накачки практически мгновенно, в отличие от медленных процессов переноса зарядов, характерных для полупроводниковых модуляторов.
Чтобы повысить керровский отклик до практически полезного уровня, ученые спроектировали метаповерхность с высокодобротными резонансами, где энергия практически не теряется. Ее элементарные ячейки — кремниевые структуры меньше длины волны — функционируют как оптические резонаторы, многократно усиливающие взаимодействие света с веществом. Пространственно структурированный импульс накачки локально изменяет показатель преломления в каждой ячейке, и пробный луч, проходя через эту неоднородность, отклоняется или изменяет форму волнового фронта.
«Основная идея заключалась в создании метаповерхности, чье оптическое реагирование не фиксировано раз и навсегда при производстве, — объяснил ведущий автор Клаудио Хейл. — Меняя рисунок подсветки, мы перенастраиваем то, как устройство направляет и формирует свет, и делаем это на ультракоротком временном масштабе». Соавтор Лиор Михаэли добавил, что изначально эффект был настолько мал, что потребовалось специально усилить его конструкцией метаповерхности, чтобы не просто зарегистрировать, а использовать для управления лучом.
Помимо основного результата — сверхбыстрого отклонения с программируемым углом — в эксперименте также наблюдались самодифракция и самомодуляция пучка накачки, а также линейная конверсия частоты и произвольная двумерная модуляция пробного света. Эти эффекты стали возможны благодаря тому, что на фемтосекундном масштабе керровский отклик не загрязняется паразитным двухфотонным поглощением и нагревом, которые проявляются позже и дают лишь постоянный фоновый вклад.
Для систем связи принципиально важно, что столь быстрое управление светом в будущем позволит обрабатывать оптические сигналы напрямую, без промежуточного преобразования в электрические. В настоящее время волоконно-оптические линии передают данные фотонами, однако на узлах маршрутизации и в процессорах свет преобразуется в ток — операция, которая требует времени и энергии. Метаповерхность, способная перенаправлять и переформировывать луч за десятки фемтосекунд, устанавливает ориентир скорости, при котором только оптическая логика и коммутация становятся реальной альтернативой электронной.
Тем не менее, авторы подчеркивают: работа пока что является фундаментальной, и до практических устройств еще далеко, однако сам факт, что фемтосекундное управление светом без движущихся частей было достигнуто в компактной плоской структуре, открывает возможности для исследования архитектур полностью оптических вычислений и квантовых интерфейсов.
Darth SaharaИсточники:Nature NanotechnologyНаука и космос0Оптические вычисленияФотоникаМетаматериалыСверхбыстрая оптика13:42
Источник