Нелинейные антенныДля передачи информации используются электромагнитные волны широкого спектрального диапазона: от радиоволн, передающих радиосигналы по воздуху, до инфракрасного излучения и видимого света, используемых в телекоммуникациях для передачи данных по оптоволокну. Важным компонентом любого оборудования, использующего электромагнитные волны для передачи и обработки информации, является устройство, называемое антенной, которое предназначено для приема или передачи сигналов в определенном направлении.
Часто приходится гибко обрабатывать входящие сигналы. Это требует использования реконфигурируемой антенны, то есть такой, характеристики которой (например, диаграмма направленности) могут изменяться определенным образом во время обработки сигнала.
Одно из возможных решений основано на использовании нелинейной антенны, которую можно переключать самим падающим светом.Денис Баранов, аспирант МФТИ и один из авторов исследования, комментирует результаты исследования: «Разработка таких настраиваемых антенн, работающих в инфракрасном и оптические частоты.
В настоящее время мы уже можем передавать информацию по оптоволокну с невероятной скоростью до сотен Гбит / с. Однако электроника на основе кремния не может обрабатывать входящие данные с такой скоростью. Нелинейные наноантенны, работающие на оптических длинах волн, могут помочь нам решить эту проблему и сделать возможной сверхбыструю полностью оптическую обработку сигналов ».Наночастицы кремния
Чтобы продемонстрировать нелинейное переключение, авторы статьи, опубликованной в ACS Photonics, исследовали диэлектрическую наноантенну — оптически резонансную сферическую наночастицу из кремния. Хотя сферические частицы всех размеров имеют резонансы, именно размер частицы определяет ее резонансную длину волны. Первый из этих резонансов, который можно наблюдать на самой длинной длине волны, — это магнитный дипольный резонанс.
Падающий свет определенной длины волны индуцирует в частице круговой электрический ток, подобный току, протекающему в замкнутой цепи. Поскольку кремний имеет высокий показатель преломления, частицы с диаметром, приближающимся к 100 нм, уже будут демонстрировать магнитный дипольный резонанс на оптических частотах, что делает их полезными для усиления различных оптических эффектов на наноуровне. Команда использовала резонансы кремниевых наносфер для усиления рамановского рассеяния в более раннем исследовании, которое подробно описано в другой статье.Оптические свойства нелинейной кремниевой наноантенны регулируются посредством генерации электронной плазмы.
Поскольку кремний является полупроводником, при нормальных условиях в его зоне проводимости почти нет электронов. Однако воздействие на него лазерным импульсом высокой интенсивности и очень короткой продолжительности (≈100 фемтосекунд, то есть около 10? ³ или одна десятая триллионная доля секунды) возбуждает электроны в зону проводимости. Это значительно изменяет свойства материала, а также поведение самой кремниевой наноантенны, заставляя ее рассеивать свет в направлении падающего импульса.
Таким образом, подвергая частицу короткому и интенсивному импульсу, ее поведение как антенны можно динамически контролировать.Чтобы продемонстрировать сверхбыстрое переключение наноантенн, авторы исследования провели серию экспериментов, которые включали облучение массива наночастиц кремния коротким и интенсивным лазерным импульсом и непрерывное измерение их пропускания. Исследователи заметили, что коэффициент передачи структуры изменился на несколько процентов в течение 100 фемтосекунд, а затем постепенно вернулся к своему исходному значению.На основе экспериментальных результатов исследователи разработали аналитическую модель, которая описывает сверхбыструю нелинейную динамику исследуемой наноантенны, а также генерацию и релаксацию электронной плазмы в кремнии.
Согласно модели, радикальное изменение диаграммы рассеяния антенны происходит за очень короткий промежуток времени — порядка 100 фемтосекунд. Перед приходом импульса количество энергии, рассеянной частицей в прямом направлении, почти такое же, как и в обратном направлении. Однако под действием короткого импульса антенна переключается на почти идеально однонаправленное рассеяние вперед. Теоретические прогнозы, подкрепленные экспериментальными данными, предполагают, что антенна такого типа будет иметь полосу пропускания около 250 Гбит / с, тогда как обычная электроника на основе кремния полагается на компоненты с полосой пропускания, ограниченной только десятками Гбит / с.
Заключительные замечания: это еще не всеЭксперименты, проведенные авторами исследования, продемонстрировали сверхбыстрое переключение наноантенны между различными режимами светорассеяния, которое вызвано взаимодействием интенсивного лазерного импульса с кремнием наноструктуры.
Исследователи разработали аналитическую теорию, описывающую поведение таких нелинейных наноантенн.«Исследования показывают, что наночастицы кремния вполне могут стать основой для разработки сверхбыстрых оптических наноустройств. Наша модель может быть использована для создания более сложных наноструктур, содержащих частицы кремния, которые позволят нам манипулировать светом самым необычным образом.
Например, мы надеемся в конечном итоге управлять не только амплитудой оптического сигнала, но и его направлением. Мы рассчитываем, что сможем «повернуть» его на заданный угол в сверхбыстром масштабе времени », — говорит Сергей Макаров, старший научный сотрудник отдела (кафедры) нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.