Een groep fotonica-onderzoekers van de Universiteit van Tampere heeft een nieuwe methode geïntroduceerd om een ​​lichtstraal met een andere straal door een uniek plasmonisch meta-oppervlak in een lineair medium met ultralaag vermogen te sturen. Deze eenvoudige lineaire schakelmethode maakt nanofotonische apparaten zoals optische computer- en communicatiesystemen duurzamer en vereist een lage lichtintensiteit.

Volledig optisch schakelen is het moduleren van signaallicht door stuurlicht zodanig dat het de aan/uit-conversiefunctie bezit. In het algemeen kan een lichtstraal worden gemoduleerd met een andere intense laserstraal in aanwezigheid van een niet-lineair medium.

De door de onderzoekers ontwikkelde schakelmethode is fundamenteel gebaseerd op het kwantumoptische fenomeen dat bekend staat als Enhancement of Index of Refraction (EIR).

"Ons werk is de eerste experimentele demonstratie van dit effect op het optische systeem en het gebruik ervan voor lineaire volledig optische schakeling. Het onderzoek verlicht ook de wetenschappelijke gemeenschap om verliesgecompenseerde plasmonische apparaten te bereiken die werken op resonantiefrequenties door buitengewone verbetering van de brekingsindex zonder met behulp van gain media of niet-lineaire processen", zegt Humeyra Caglayan, Associate Professor (tenure track) in Photonics aan Tampere University.

Optisch schakelen ingeschakeld met ultrahoge snelheid

Snel schakelen en medium met weinig verlies om sterke signaaldissipatie tijdens voortplanting te voorkomen, vormen de basis voor de ontwikkeling van geïntegreerde fotonische technologie waarbij fotonen worden gebruikt als informatiedragers in plaats van elektronen. Om ultrasnelle, volledig optische schakelnetwerken en fotonische centrale verwerkingseenheden op de chip te realiseren, moet volledig optische schakeling een ultrasnelle schakeltijd, ultralage drempelcontrolevermogen, ultrahoge schakelefficiëntie en functiegrootte op nanoschaal hebben.

"Schakelen tussen signaalwaarden van 0 en 1 is fundamenteel in alle digitale elektronische apparaten, inclusief computers en communicatiesystemen. In de afgelopen decennia zijn deze elektronische elementen geleidelijk kleiner en sneller geworden. Bijvoorbeeld de gewone berekeningen die met onze computers op bestelling worden gedaan seconden kon niet worden gedaan met oude computers ter grootte van een kamer, zelfs niet in meerdere dagen", merkt Caglayan op.

In conventionele elektronica is schakelen afhankelijk van het regelen van de stroom van elektronen op de tijdschaal van een microseconde (10 ^-6 sec) of nanoseconde (10 ^-9 sec) bereik door het aansluiten of loskoppelen van elektrische spanning.

"De schakelsnelheid kan echter worden verhoogd tot een ultrasnelle tijdschaal (femtoseconde 10 ^-15 sec) door de elektronen te vervangen door plasmonen. Plasmonen zijn een combinatie van fotonen en een verzameling elektronen op het oppervlak van metalen. Dit maakt optisch schakelen mogelijk met ons apparaat met femtoseconde (10 ^-15 sec) snelheden", zegt ze.

"Onze plasmonische nanoschakelaar bestaat uit een L-vormige combinatie van metalen nanostaafjes. Een van de nanostaafjes ontvangt een lineair gepolariseerd signaal en de andere ontvangt een andere lineair gepolariseerde 'controle'-straal loodrecht op de eerste straal", zegt Postdoctoral Research Fellow Rakesh Dhama , de eerste auteur van het artikel gepubliceerd in Nature Communications .

Polarisatie betekent de richting waarin het elektrische veld van de bundel oscilleert. De stuurbundel kan het signaal verzwakken of versterken, afhankelijk van het faseverschil tussen de bundels. Het faseverschil verwijst naar het tijdsverschil wanneer elke bundel zijn maximale intensiteit bereikt. De signaalversterking vindt plaats door de overdracht van enige optische energie van de stuurbundel naar het signaal via een constructieve superpositie met een zorgvuldig ontworpen faseverschil.

De prestaties van plasmonische apparaten verbeteren

Evenzo wordt de verzwakking van het signaal bereikt door destructieve superpositie wanneer de bundels het tegenovergestelde faseverschil hebben. Deze bevinding maakt nanofotonische apparaten zoals optische computer- en communicatiesystemen duurzamer die een lage lichtintensiteit vereisen. Deze eenvoudige lineaire schakelmethode kan de huidige methoden van optische verwerking, computergebruik of communicatie vervangen door de ontwikkeling en realisatie van plasmonische systemen op nanoschaal te versnellen.

"We verwachten verdere studies van plasmonstructuren te zien met behulp van onze verbeterde schakelmethode en mogelijk het gebruik van onze methode in plasmonische circuits in de toekomst. Bovendien zou het L-vormige meta-oppervlak verder kunnen worden bestudeerd om ultrasnelle schakeling te onthullen onder de verlichting van femtoseconde laserpulsen en om de niet-lineaire verbetering en controle van plasmonische nanodeeltjes te onderzoeken", merkt Humeyra Caglayan op.

Het beheersen van de niet-lineaire respons van nanostructuren biedt nog interessantere toepassingen en functionaliteiten voor nanofotonische apparaten zoals optische computer- en communicatiesystemen.

"Deze benadering heeft ook het potentieel om de prestaties van plasmonische apparaten te verbeteren door breedbandtransparantie te creëren voor een signaalstraal zonder enig versterkingsmedium. Het kan verschillende manieren openen om slimme fotonische elementen te ontwerpen voor geïntegreerde fotonica", zegt Cagalayan. + Verder verkennen

Herconfigureerbare silicium nanoantennes bestuurd door vectorieel lichtveld