Физики МГУ создали новый сверхбыстрый модулятор оптического излучения

Сотрудники физического факультета МГУ показали, что многослойные диэлектрические наноструктуры, покрытые тонкой пленкой металла, могут служить сверхбыстрыми модуляторами оптического излучения. Сконструированные в МГУ модуляторы полностью совместимы с элементной базой современной интегральной фотоники и проще существующих аналогов в изготовлении. Работа выполнена в рамках программы мегагрантов Минобрнауки «Нелинейная и экстремальная нанофотоника», её результаты опубликованы в престижном журнале ACS Photonics. 

Для передачи и обработки информации современная техника использует поток электронов. Большинство процессоров, микросхем и проводов основаны на этом принципе. Однако скорость работы современной электроники уже близка к физическому пределу. Учёные со всего мира ищут альтернативу электронике и считают перспективными устройства, основанные на управлении светом. Теоретически, фотонные устройства характеризуются значительно меньшим тепловыделением и более высокой скоростью вычислений.

Сейчас уже существуют экспериментальные оптические процессоры и фотонные интерконнекты, близкие к классическим компьютерам. Однако их свойства пока далеки от идеальных: дистанция, на которую возможно передавать поток фотонов без помех, пока невысока, а стоимость процессоров, работающих на фотонах, наоборот, зашкаливает. Научные коллективы со всего мира ищут пути решения этих проблем. В МГУ разработками в области нанофотоники занимается, в частности, лаборатория нанооптики и метаматериалов под руководством профессора физического факультета Андрея Федянина.

«В работе мы показали возможность использования многослойных диэлектрических наноструктур, покрытых тонкой пленкой металла, в качестве сверхбыстрых модуляторов оптического излучения, — рассказал первый автор исследования, научный сотрудник лаборатории Борис Афиногенов. — В таких структурах возможно появление резонансных особенностей в спектрах коэффициентов отражения и пропускания, причем спектральным положением этих особенностей можно управлять внешним оптическим облучением. За счёт выбора правильной геометрии наноструктуры мы достигли характерного времени переключения 150 фемтосекунд на определенной длине волны вблизи резонанса. Изменяя длину волны вокруг резонансной, мы добивались как увеличения, так и уменьшения коэффициента отражения при облучении внешним оптическим излучением».

Сначала учёные сконструировали такой модулятор: на несколько слоев диэлектречиских наноструктур толщиной в несколько сотен нанометров нанесли тонкую плёнку металла толщиной в 30 нанометров. Затем эту конструкцию исследовали методом время-разрешенной спектроскопии: облучали образец фемтосекундным лазерным импульсом и измеряли спектр коэффициента отражения при различных временных задержках относительно этого импульса. Первичный фемтосекундный импульс меняет диэлектрическую проницаемость металла, а поскольку длина волны резонанса чувствительна к ней, исследователи наблюдали изменения в спектре коэффициента отражения.

«С технологической точки зрения, модуляторы должны быть компактными, энергоэффективными и обеспечивать минимальное время переключения. Образцы, которые мы исследовали в работе, являются комбинацией широко используемых фотоннокристаллических и плазмонных элементов. Они полностью совместимы с элементной базой современной интегральной фотоники и, при этом, просты в изготовлении. В работе мы предложили использовать данные наноструктуры в качестве модуляторов оптического излучения с настраиваемыми глубиной модуляции и скоростью работы. Частота работы нашего модулятора потенциально может составить несколько терагерц, что на порядок лучше существующих решений», — заключил Борис Афиногенов.

Источник: Пресс-служба МГУ