Оптические схемы и оптические резонаторыОптические цепи управляют светом так же, как электрическая цепь управляет потоком электричества. По сравнению с электрическими цепями оптические системы демонстрируют более высокую скорость, энергоэффективность и стабильность. Область прикладной фотоники, уже используемая в волоконно-оптической связи, неуклонно прогрессирует в разработке оптических схем, в которых используются наноразмерные «оптические резонаторы» в качестве переключателей или «транзисторов» для управления потоком света.
Оптические полости ограничивают свет в крошечном пространстве в несколько нанометров. «Сжатого» в таком небольшом объеме крошечного количества входящего света достаточно, чтобы вызвать небольшое изменение длины волны захваченного света из-за оптических свойств материала, из которого сделан резонатор. Эти свойства называются «нелинейными», что означает, что если небольшое количество света может заставить оптический резонатор резонировать, более высокая интенсивность света может заставить его фактически переключаться между двумя различными состояниями.
Этот эффект, называемый «оптической би-стабильностью», в конечном итоге заставляет оптический резонатор действовать как переключатель для света.Одной из проблем при проектировании и разработке оптических схем является их эффективность с точки зрения скорости и энергопотребления. Эти две функции связаны вместе, поскольку общая потребляемая мощность оптической схемы зависит от энергии, необходимой для одной операции «переключения», умноженной на количество операций в секунду. Следовательно, наиболее вероятные резонаторы, которые могут быть реализованы в оптической схеме, должны быть рассчитаны на минимальную энергию переключения.
Новый транзистор с низким энергопотреблением для светаГруппы Ромуальда Удре и Винченцо Савона из EPFL к настоящему времени спроектировали, изготовили и успешно протестировали оптический резонатор на основе «фотонно-кристаллической наноструктуры» (PCN), для включения и выключения которой требуется рекордно низкая энергия.
PCN изготовлен из кремниевой пластины и сочетает в себе рекордно малый размер с очень высоким качеством, или фактором Q, который является мерой того, как долго PCN может удерживать свет. Измеренная добротность нового устройства PCN составляет 500 000, что означает, что входящий фотон будет отражаться назад и вперед внутри оптического резонатора пятьсот тысяч раз, прежде чем уйти.
Высокая добротность означает, что фотоны проводят больше времени внутри полости. Новый PCN также имеет очень маленький размер, что обеспечивает более высокую интенсивность света при той же энергии. «Нелинейность пропорциональна интенсивности, и эффект будет сильнее, если учесть более длительное время нарастания», — объясняет Савона. «Это потому, что свет дольше взаимодействует с материалом, который обеспечивает нелинейность». Комбинация высокой добротности с небольшим размером — вот почему новый PCN требует очень мало энергии для работы в качестве переключателя.
«В этой работе мы достигли нелинейных эффектов при рекордно низкой интенсивности света», — говорит Ромуальд Удре. «Наша структура также является одной из самых маленьких, когда-либо разработанных для демонстрации таких рекордных нелинейных свойств, и она может быть построена с использованием стандартной технологии нанопроизводства. Это очень важный шаг на пути к оптическим схемам, так как малый размер, скорость и низкое энергопотребление. являются ключевыми требованиями для реализации эффективного оптического переключающего наноустройства ».