«Бегающие» электроны в квантовых ямах позволят генерировать короткие оптические импульсы

Ученые предложили теоретическую модель из двух квантовых ям, которая может лечь в основу устройств для формирования сверхкоротких оптических импульсов. Позже их будет возможно использовать для высокоскоростной передачи информации. Импульсы в предложенной системе испускаются электронами, «бегающими» в квантовых ямах и отскакивающими от их стенок подобно упругим мячикам. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics Letters.

Повышение скорости передачи и обработки информации требует использования все более коротких электромагнитных импульсов. Импульсы в радиодиапазоне — такие используются в радиосвязи — из-за их большой длительности уже исчерпали свои возможности. Актуальны импульсы оптического диапазона, длительность которых на порядки меньше. Они активно применяются при оптической передаче данных, которая используется в современных компьютерах, бортовых космических, самолетных и корабельных системах связи. При этом чем короче импульсы и чем выше частота их излучения прибором, тем лучше скорость передачи данных. Существующие в настоящее время подходы к генерации сверхкоротких высокочастотных импульсов, в частности, оптических, требуют громоздких и сложных экспериментальных установок, поэтому ученые разрабатывают новые компактные системы и устройства.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) предложили новый подход для получения сверхкоротких оптических импульсов. Авторы теоретически описали систему, состоящую из двух так называемых вложенных квантовых ям — внешней и внутренней. Квантовые ямы создают в полупроводниковых наноразмерных (в миллионы раз меньше миллиметра) материалах. В предложенной авторами системе одна (внешняя) квантовая яма, подобно «сэндвичу», с двух сторон покрывает другую (внутреннюю). В случае реальных ям это выглядело бы как небольшое дополнительное углубление, выкопанное на дне большой ямы.

Первоначально находящийся во внутренней «нанояме» электрон не может покинуть ее без энергии извне. Это можно сравнить с тем, как упавший в настоящую яму мячик не может самостоятельно выкатиться из нее, если его не подбросить.

Когда на такую систему подается внешний импульс постоянного электрического поля, он возбуждает «сидящий» во внутренней квантовой яме электрон и выбрасывает его во внешнюю яму. Однако этой энергии электрону не хватает, чтобы покинуть внешнюю яму. Там частица начинает перемещаться, периодически ударяясь о границы внешней квантовой ямы и «отскакивая» от них. При каждом ударе электрон замедляется и излучает световой импульс. Эти потери энергии компенсирует внешнее поле. В результате все движение частицы сопровождается частыми и короткими «вспышками» света. И все время, пока действует электрическое поле, электрон будет так зигзагообразно перемещаться по внешней квантовой яме, испуская световые импульсы.

«В каждой квантовой яме находится один электрон, поэтому, если создать систему из большого количества предложенных нами квантовых ям — нанести целый слой полупроводника на специальную подложку, — можно добиться того, что сразу много электронов будут испускать световые импульсы. Это позволит усилить сигнал и использовать такую модель при разработке систем передачи данных по оптоволокну. В дальнейшем мы планируем продолжить поиск новых путей создания компактных источников сверхкоротких световых импульсов на основе квантовых связанных систем. Эта задача актуальна, поскольку, чем выше частота излучения таких импульсов у системы, тем большую скорость передачи информации она сможет обеспечить», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.