Кремниевые наноантенны развернули свет

Физики из Университета ИТМО, МФТИ и Техасского университета в Остине разработали устройство необычной наноантенны, способной рассеивать свет в желаемом направлении в зависимости от интенсивности падающего излучения. Результаты открывают дорогу к гибкой обработке оптической информации в телекоммуникационных системах. Работа опубликована в Laser & Photonics Reviews.

Исследователи разработали устройство новой нелинейной наноантенны, которая позволяет изменять направление рассеяния света в зависимости от интенсивности падающей волны. Основой предлагаемой наноантенны служат кремниевые наночастицы, в которых под действием интенсивного лазерного излучения генерируется электронная плазма. Авторы уже демонстрировали возможности таких наночастиц для нелинейного и сверхбыстрого управления светом. Тогда исследователям удалось управлять долей света, рассеянной вперед и назад. Теперь ученые смогли повернуть рассеянный пучок света в желаемую сторону в зависимости от интенсивности падающего света.

Разработанная наноантенна представляет собой димер — две кремниевые наносферы различных диаметров. При облучении слабым лазерным пучком рассеяние света на такой антенне происходит в сторону вследствие несимметричной геометрии. Диаметры наночастиц выбраны так, что на длине волны лазера одна из них является резонансной. При облучении мощным лазерным импульсом в ней интенсивно образуется электронная плазма, что приводит к изменению оптических свойств этой частицы. Другая же частица нерезонансная, и мощное поле лазера почти не влияет на ее свойства. То есть при правильном выборе размеров двух частиц и параметров падающего пучка (длительности и интенсивности), размеры частиц становятся эффективно «одинаковыми», и антенна переизлучает свет вперед.

Для получения более полной картины ученые провели численное моделирование описанного механизма и выяснили, что появляется возможность отклонять в различные направления слабый и сильный падающие импульсы.

Старший научный сотрудник кафедры Нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Сергей Макаров резюмирует: «В данной работе мы сфокусировались на разработке наноразмерного оптического чипа размером менее чем 200х200х500 нм, то есть в разы меньше длины волны фотона, носителя информации. Новый элемент позволит менять направление распространения световых импульсов со скоростью в сотни раз большей по сравнению с электронными аналогами. Наше устройство может позволить распределять сигнал в два оптических канала с чрезвычайно коротким интервалом, что очень важно для современных систем телекоммуникации».

Данная разработка позволит обрабатывать идущий по оптоволокну сигнал со скоростью до 250 Гбит/с. Нелинейная антенна, разработанная исследователями, предоставляет еще больше возможностей для управления светом на наномасштабе, которое необходимо для реализации фотонных компьютеров и различных устройств.