Нелинейные антенныЭлектромагнитные волны широкого спектрального диапазона используются, чтобы передать информацию: от радиоволн, которые несут радио-сигналы по воздуху к инфракрасной радиации и видимому свету, используемому в телекоммуникациях, чтобы передать данные через волоконную оптику. Важная составляющая любого оборудования, которое полагается на электромагнитные волны для информационной передачи и обработки, является устройством, названным антенной, которая разработана, чтобы или получить или передать сигналы в конкретном направлении. Часто имеет место, что поступающие сигналы должны быть гибко обработаны.
Это требует использования реконфигурируемой антенны, т.е. того, особенности которого (например, его радиационный образец) могут быть изменены определенным способом во время обработки сигнала. Одно возможное решение полагается на использование нелинейной антенны, которая может быть переключена самим падающим светом.Денис Баранов, студент доктора философии в MIPT и одном из авторов исследования, комментирует результаты исследования: ‘Это – высший приоритет – и в то же время основная проблема – чтобы развивать такие tuneable антенны, работающие на инфракрасных и оптических частотах.
В наше время мы можем уже передать информацию через волоконную оптику на невероятных скоростях до сотен Gbit/s. Однако основанная на кремнии электроника неспособна обработать поступающие данные по тому уровню. Нелинейные наноантенны, которые работают в оптических длинах волны, могли помочь нам решить эту проблему и сделать сверхбыстрый все-оптический сигнал, обрабатывающий возможный’.
Кремниевые наночастицыЧтобы продемонстрировать нелинейное переключение, авторы работы, которая была опубликована в Фотонике ACS, изучили диэлектрическую наноантенну – оптически резонирующая сферическая наночастица, сделанная из кремния. В то время как сферические частицы всех размеров показывают резонансы, это – размер частицы, которая определяет ее резонирующую длину волны. Первым из этих резонансов, которые могут наблюдаться самое большее длина волны, является магнитный дипольный резонанс.
Падающий свет определенной длины волны вызывает круглый электрический ток в частице, подобной току, который течет в замкнутой цепи. Поскольку у кремния есть высокий показатель преломления, частицы с диаметрами, приближающиеся 100 нм уже покажут магнитный дипольный резонанс на оптических частотах, делая их полезными для усиления различных оптических эффектов в наноразмерном. Команда использовала кремниевые резонансы наносферы, чтобы увеличить Рамана, рассеивающегося в более раннем исследовании, которое детализировано в другой статье.Оптическими свойствами нелинейной кремниевой наноантенны управляют посредством электронного плазменного производства.
Поскольку кремний – полупроводник, нет почти никаких электронов в его зоне проводимости при нормальных условиях. Однако выставляя его лазерному пульсу высокой интенсивности и очень короткой продолжительности (≈ 100 фемтосекунд, т.е. приблизительно 10? ¹ ³ или одна десятимиллионная секунды), волнует электроны в зону проводимости.
Это значительно изменяет свойства материала, а также поведение самой кремниевой наноантенны, заставляя его рассеять свет в направлении пульса инцидента. Таким образом, выставляя частицу короткому и интенсивному пульсу, его поведение, поскольку антенной можно динамично управлять.
Чтобы продемонстрировать сверхбыстрое переключение наноантенны, авторы исследования выполнили ряд экспериментов, которые включили озарение множества кремниевых наночастиц с коротким и интенсивным лазерным пульсом и непрерывным измерением их коэффициента пропускания. Исследователи заметили, что коэффициент передачи структуры изменился на несколько процентов в течение 100 фемтосекунд и затем постепенно возвращался к ее начальному значению.На основе результатов эксперимента исследователи продолжали разрабатывать аналитическую модель, которая описывает сверхбыструю нелинейную динамику наноантенны, исследованной в исследовании, а также поколении и релаксации электронной плазмы в кремнии. Согласно модели, радикальное изменение в рассеивающейся диаграмме антенны происходит в очень коротком периоде времени – на заказе 100 фемтосекунд.
Перед прибытием пульса сумма энергии, рассеянной частицей в передовом направлении, является почти тем же самым как в обратном направлении. Однако ведомый коротким пульсом, антенна переключается на почти совершенно однонаправленное рассеивание форварда. Теоретические предсказания, поддержанные экспериментальными данными, предполагают, что у антенны этого вида была бы пропускная способность приблизительно 250 Гбит/с, тогда как обычная основанная на кремнии электроника полагается на компоненты с пропускной способностью, ограниченной только десятками Gbit/s.
Заключительные замечания: есть больше, чтобы прибытьЭксперименты, выполненные авторами исследования, продемонстрировали сверхбыструю наноантенну, переключающуюся между различными способами рассеяния света, который вызван взаимодействием интенсивного лазерного пульса с кремнием наноструктуры.
Исследователи разработали аналитическую теорию, описывающую поведение таких нелинейных наноантенн.’Исследование показывает, что кремниевые наночастицы могли бы хорошо стать основанием для развития сверхбыстрых оптических наноустройств.
Наша модель может использоваться, чтобы проектировать наноструктуры, содержащие кремниевые частицы, которые более сложны, который позволил бы нам управлять светом самым необычным способом. Например, мы надеемся в конечном счете контролировать не только амплитуду оптического сигнала, но также и его направления.
Мы ожидаем быть в состоянии «повернуть» его указанным углом на сверхбыстрых временных рамках’, говорит Сергей Макаров, старший научный сотрудник в Отделе (Председатель) Нанофотоники и Метаматериалы Университета ITMO.