Новый способ управления характеристиками метаповерхностей с использованием лазерного излучения разработан учеными из ИТМО, Политехнического университета Милана и Университета Брешии (Италия). Эта технология позволяет переключать оптические состояния в структуре за триллионные доли секунды. Благодаря высокоскоростному управлению светом, станет возможной передача большего объема данных за меньший промежуток времени, создание фотонного компьютера и разработка более точных сенсоров для медицинских целей. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
Для обеспечения оперативной передачи данных и создания эффективных коммуникационных систем необходимо быстро генерировать и обрабатывать оптические сигналы. В настоящее время для этих целей используется электричество, однако в перспективе приоритет отдается полностью оптическим системам, поскольку световые сигналы передаются быстрее электрических, что позволяет снизить энергопотребление. Одним из многообещающих подходов к быстрому управлению светом являются метаповерхности – сверхтонкие оптические линзы, обеспечивающие точную настройку взаимодействия с электромагнитными волнами. Однако в существующих исследованиях скорость данного метода существенно ограничена и не превышает наносекунд или десятков пикосекунд, поэтому ученые разрабатывают способы ее повышения.
Ученые предложили новый метод управления светом в метаповерхностях, основанный на их лазерной подсветке. В качестве физической модели рассматривается одномерная или двумерная метаповерхность, изготовленная из AlGaAs на сапфировой подложке. Короткие лазерные импульсы нарушают симметрию этой наноструктуры, активируя радиационный канал, посредством которого излучение проникает в метаповерхность и переключает ее оптические состояния. После чего канал быстро закрывается, и структура возвращается к исходному оптическому состоянию. Данная концепция была разработана в результате многолетней совместной работы специалистов ИТМО с профессорами К. Де Анджелисом (Университет Брешии) и Д. Делла Валле (Политехнический университет Милана).
Физики получили возможность оценить скорость переключения световых эффектов, которая достигает долей пикосекунд, используя оптическое воздействие. Ключевым преимуществом новой методики является её реализация в видимом диапазоне, исключающая необходимость в сложных многослойных структурах или электрических схемах. Предложенная схема основана на геометрии «зонда-накачки», где управляющий оптический импульс модулирует пробный (зондирующий) канал.
В настоящее время исследование носит лишь теоретический характер, однако в будущем физики намерены подтвердить расчеты с помощью эксперимента.
Возможность быстрого управления светом позволяет разрабатывать новые оптические переключатели и модуляторы. Такие устройства найдут применение в сверхбыстрой связи, где передача данных осуществляется посредством света, а не электричества; при создании процессоров, работающих на световых сигналах, для оптических компьютеров, которые будут более энергоэффективными и обеспечивать более высокую скорость вычислений; в улучшенных сенсорах и датчиках для медицины, а также в камерах, способных улавливать невидимые диапазоны света. Кроме того, они будут полезны в голографии и в технологиях AR/VR для формирования более качественных и динамичных изображений в очках дополненной реальности.
«В настоящее время рабочая частота электронных процессоров, как правило, не превышает 3-4 гигагерц и демонстрирует тенденцию к стабилизации. Оптические технологии способны значительно повысить этот показатель, увеличив его на несколько порядков. В частности, в нашем исследовании достигнута скорость в единицы терагерц, что потенциально позволит увеличить скорость передачи данных. Разработанный подход можно применить к метаповерхностям, изготовленным из других полупроводниковых материалов, таких как кремний, который широко используется в фотонных устройствах», — пояснил один из авторов исследования, ведущий сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Петров.
Работа выполнена при поддержке программы «Приоритет 2030» в рамках деятельности фронтирной лаборатории, специализирующейся на «Нанофотонные метаструктуры для сверхбыстрых оптических вычислений».
Пресс-служба Университета ИТМО предоставила информацию