Een team van natuurkundigen van ITMO University, MIPT, en de Universiteit van Texas in Austin hebben een onconventionele nanoantenne ontwikkeld die licht in een bepaalde richting verstrooit, afhankelijk van de intensiteit van de invallende straling. De onderzoeksresultaten zullen helpen bij de ontwikkeling van flexibele optische informatieverwerking in telecommunicatiesystemen.

Fotonen - de dragers van elektromagnetische straling - hebben geen massa of elektrische lading. Dit betekent dat licht relatief moeilijk te controleren is, in tegenstelling tot, bijvoorbeeld, elektronen, die kan worden gecontroleerd door een constant elektrisch veld aan te leggen. Echter, apparaten zoals nanoantennes maken een zekere mate van controle mogelijk over de voortplanting van elektromagnetische golven.

Een gebied dat de "geavanceerde" lichtmanipulatie vereist, is de ontwikkeling van optische computers. Bij deze apparaten de informatie wordt niet door elektronen gedragen, maar door fotonen. Het gebruik van licht in plaats van geladen deeltjes heeft het potentieel om de snelheid van het verzenden en verwerken van informatie aanzienlijk te verbeteren. Om deze computers te realiseren, zijn specifieke nanoantennes nodig met eigenschappen die op de een of andere manier kunnen worden gemanipuleerd - door een constant elektrisch of magnetisch veld aan te leggen, bijvoorbeeld, of door de intensiteit van invallend licht te variëren.

In de krant gepubliceerd in Laser- en fotonica-beoordelingen , de onderzoekers ontwierpen een nieuwe niet-lineaire nanoantenne die de richting van lichtverstrooiing kan veranderen, afhankelijk van de intensiteit van de invallende golf (Fig. 1). De kern van de voorgestelde nanoantenne zijn silicium nanodeeltjes, die elektronenplasma genereren onder harde laserstraling. De auteurs toonden eerder de mogelijkheden aan om deze nanodeeltjes te gebruiken voor de niet-lineaire en ultrasnelle controle van licht. De onderzoekers slaagden er vervolgens in delen van lichtstraling te manipuleren die naar voren en naar achteren werden verspreid. Nutsvoorzieningen, door de intensiteit van invallend licht te veranderen, ze hebben een manier gevonden om een ​​verstrooide lichtstraal in de gewenste richting te draaien.

Om het stralingspatroon van de nanoantenne te roteren, de auteurs gebruikten het mechanisme van plasma-excitatie in silicium. De nanoantenne is een dimeer - twee silicium nanobolletjes met ongelijke diameters. Bestraald met een zwakke laserstraal, deze antenne verstrooit het licht zijwaarts vanwege zijn asymmetrische vorm (blauw diagram in Fig. 2A). De diameters van de twee nanodeeltjes zijn zo gekozen dat één deeltje resoneert op de golflengte van het laserlicht. Bestraald met een intense laserpuls, elektronenplasma wordt gegenereerd in het resonerende deeltje dat veranderingen in de optische eigenschappen van het deeltje veroorzaakt. Het andere deeltje blijft niet-resonant, en het krachtige laserveld heeft er weinig effect op. In het algemeen, door nauwkeurig de relatieve grootte van beide deeltjes te kiezen in combinatie met de parameters van de invallende bundel (duur en intensiteit), het is mogelijk om de grootte van de deeltjes nagenoeg gelijk te maken, waardoor de antenne de lichtstraal naar voren kan kaatsen (rood diagram in Fig. 2a).

"Bestaande optische nanoantennes kunnen licht in een vrij groot bereik sturen. dit vermogen is meestal ingebed in hun geometrie en de materialen waarvan ze zijn gemaakt, het is dus niet mogelijk om deze kenmerken op elk moment te configureren, " zegt Denis Baranov, een postdoctorale student aan het MIPT en de hoofdauteur van de paper. "De eigenschappen van onze nanoantenne, echter, dynamisch kan worden gewijzigd. Als we het verlichten met een zwakke laserimpuls, we krijgen één resultaat, maar met een sterke impuls, het resultaat is heel anders."

De wetenschappers voerden numerieke modellering uit van het lichtverstrooiingsmechanisme, Afb. 2b. De simulatie toonde aan dat wanneer de nanoantenne wordt verlicht met een zwakke laserstraal, het licht verstrooit zijwaarts. Echter, het verlichten van de nanoantenne met een intense laserimpuls leidt tot het genereren van elektronenplasma in het apparaat en het verstrooiingspatroon roteert met 20 graden (rode lijn). Dit biedt de mogelijkheid om zwakke en sterke invallende impulsen in verschillende richtingen af ​​te buigen.

Sergej Makarov, een senior onderzoeker bij de afdeling Nanophotonics and Metamaterials aan de ITMO University zegt:"In dit onderzoek, we hebben ons gericht op de ontwikkeling van een optische chip op nanoschaal van minder dan 200 × 200 × 500 nanometer. Dit is veel minder dan de golflengte van een foton, die de informatie draagt. Met het nieuwe apparaat kunnen we de richting van de voortplanting van licht veel sneller veranderen dan bij elektronische analogen. Ons apparaat zal in zeer korte tijd een signaal in twee optische kanalen kunnen verdelen, wat uitermate belangrijk is voor moderne telecommunicatiesystemen."

Vandaag, informatie wordt via optische vezels verzonden met snelheden tot honderden Gbit/sec. Echter, zelfs moderne elektronische apparaten verwerken deze signalen vrij langzaam, met snelheden van slechts enkele Gbit/s voor een enkel element. De voorgestelde niet-lineaire optische nanoantenne kan dit probleem oplossen, omdat het werkt op 250 Gbit/s. Dit maakt de weg vrij voor ultrasnelle verwerking van optische informatie. De door de onderzoekers ontwikkelde niet-lineaire antenne biedt meer mogelijkheden om licht op nanoschaal te sturen, die nodig was om met succes fotonische computers en andere soortgelijke apparaten te ontwikkelen.