Исследователи Нового физтеха и института фотоники ИТМО совместно с учеными из Швейцарии и Китая создали тончайшую пленку, которая способна переключать свет со скоростью до миллиарда раз в секунду. Устройство представляет собой настраиваемую кремниевую метаповерхность для модуляции излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Разработка может стать основой для оптических вычислений, биосенсоров и систем передачи данных нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Метаповерхности — это искусственные ультратонкие материалы, которые используются в оптике для управления светом. За счет точно рассчитанной геометрии наноотверстий их можно «запрограммировать» под нужные функции: например, в качестве высокоточного фильтра для одной длины волны или как сверхтонкую линзу для фокусировки луча. Такая оптика получается очень компактной и совместимой со стандартными техпроцессами выпуска микрочипов, поэтому ее можно интегрировать в микроэлектронику. Однако обычно такие структуры создают под конкретную задачу, поэтому после производства их свойства нельзя изменить. Это не позволяет динамически управлять светом — например, быстро включать и выключать сигнал при передаче данных.
Совместная группа ученых Нового физтеха и института фотоники ИТМО, Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и Харбинского инженерного университета в Китае создала первую в мире метаповерхность, которую можно модулировать внешним сигналом и управлять ее свойствами в среднем инфракрасном диапазоне. Стандартно метаповерхности изготавливают на подложках из стекла или сапфира, но эти материалы поглощают излучение и ослабляют оптический сигнал. В работе команда исследователей предложила иной подход — сделать мембрану толщиной всего один микрометр, примерно в 50 раз тоньше человеческого волоса, которая свободно висит в воздухе, не опираясь на подложку. При таких параметрах кремний прозрачен, а геометрия наноотверстий (расположение, форма и размер) подобрана так, чтобы вся структура работала как точный оптический резонансный фильтр, фильтруя излучение только на определенной длине волны.
Качество такого резонатора характеризуют добротностью Q — она показывает, сколько колебаний успевает совершить свет внутри, прежде чем погаснуть. Здесь показатель Q может достигать 3000. Благодаря такой высокой добротности и прозрачности метаповерхности можно точно управлять инфракрасным лучом: даже слабое внешнее воздействие заметно меняет прозрачность мембраны и ослабляет или пропускает проходящий сквозь нее свет.
«Команда физиков из Швейцарии сначала спроектировала метаповерхность и провела расчеты ее линейных оптических свойств — например, как она будет пропускать и отражать свет в зависимости от геометрии отверстий. Затем мы рассчитали, как быстро такие структуры смогут изменять свои оптические свойства — например, переключаться из прозрачного состояния в непрозрачное за доли наносекунды. Сама структура была изготовлена и охарактеризована в Лозанне. А эксперименты по сверхбыстрому переключению прошли в нашем совместном центре с Харбинским инженерным университетом в Циндао (Китай)», — рассказал ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО, руководитель научной группы Михаил Петров.
Управлять состоянием метаповерхности можно электрическим и оптическим способами. В первом случае на мембрану подают напряжение в пять вольт — стандартный уровень для микрочипов. Мембрана нагревается и становится менее прозрачной, чтобы ослабить луч. Во втором способе мембрану подсвечивают коротким лазерным импульсом. В кремнии возникают свободные электроны, которые снижают прозрачность, и оптические свойства материала меняются почти мгновенно.
«При воздействии электричеством скорость переключения ограничена временем нагрева и остывания мембраны. Оптический режим работает иначе: лазерный импульс меняет свойства кремния почти мгновенно, поэтому время переключения составило считанные наносекунды, а частота модуляции достигла порядка гигагерца — миллиард переключений в секунду. Это сравнимо с тактовой частотой современных процессоров, только в нашем случае обработка сигналов идет напрямую светом», — пояснил главный научный сотрудник физического факультета ИТМО, руководитель научной группы Сергей Макаров.
Такие метаповерхности могут стать основой для компактных спектрометров, определяющих химический состав веществ, для чувствительных элементов тепловизоров и систем защищенной оптической связи, где данные кодируются прямо в световом луче.
Исследования поддержаны проектом «Метаструктуры нанофотоники для оптических вычислений» программы «Приоритет 2030». Работа продолжается: ученые осваивают управление поляризацией света — то есть направлением его колебаний. В перспективе это может кратно увеличить объем передаваемой информации по одному оптическому каналу.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО
Источник фото: ru.123rf.com
