Ученые из ИТМО, Политехнического университета Милана (Италия) и Университета Брешии (Италия) представили новый способ управления свойствами метаповерхностей при помощи лазерного излучения. Метод позволяет переключать оптические состояния в структуре за триллионные доли секунды. Управление светом с высокой скоростью позволит передавать большее количество данных за меньшее время, создавать фотонный компьютер и более точные сенсоры для медицины. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

Фото: sakkmesterke / Фотобанк Фотодженика

Чтобы быстро передавать данные и создавать эффективные системы коммуникации, важно быстро посылать и обрабатывать оптические сигналы. Сейчас для этого используют электричество, но будущее за полностью оптическими системами: световые сигналы передаются быстрее электрических, а энергии при этом тратится меньше. Один из перспективных способов для быстрого управления светом реализуется с помощью метаповерхностей — сверхтонких оптических линз, способных точно настраивать взаимодействие с электромагнитными волнами. Во всех известных работах скорость этого метода значительно ограничена и не превышает наносекунды или десятки пикосекунд, поэтому ученые ищут способы увеличить эту скорость.

Команда исследователей разработала новый подход к управлению светом в метаповерхностях — их предложили подсвечивать лазером. В качестве модели физики предложили использовать одномерную или двумерную метаповерхность на основе AlGaAs на сапфировой подложке. Короткие лазерные импульсы нарушают симметрию этой наноструктуры, открывая радиационный канал, через который в метаповерхность проникает излучение, и переключает оптические состояния. Канал быстро закрывается и структура возвращается в прежнее оптическое состояние. Эта идея появилась в рамках многолетней коллаборации ученых ИТМО с профессорами К. Де Анджелисом (Университет Брешии) и Д. Делла Валле (Политехнический университет Милана).

С помощью оптического воздействия физикам удалось получить оценки для сверхвысокой скорости переключения световых эффектов — она исчисляется в долях пикосекунд. Преимущество нового подхода в том, что он реализуется в видимом диапазоне и не требует сложных многослойных структур или электрических схем — предложенная схема реализуется в геометрии «зонда-накачки», когда управляющий накачивающий оптический импульс модулирует пробный (зондирующий) канал.

Пока исследование только теоретическое, но в дальнейшем физики планируют проверить расчеты экспериментальным путем.

Управление светом с высокой скоростью открывает путь к созданию новых типов оптических переключателей и модуляторов. Например, они пригодятся для сверхбыстрой связи, где данные передаются светом, а не электричеством; при создании работающих на свету процессоров для оптических компьютеров, которые будут потреблять меньше энергии и быстрее вычислять; улучшенных сенсоров и датчиков для медицины или камер с невидимыми диапазонами света, а также в голографии и AR/VR для создания более четких и динамичных изображений в очках дополненной реальности.

«Сейчас частота работы электронных процессоров ограничена и не растет выше 3-4 гигагерц. Оптические методы позволяют увеличить эту скорость на порядки. В нашем случае — до единиц терагерц, что позволит теоретически увеличить скорость передачи данных. Новый подход можно адаптировать к метаповерхностям на основе других полупроводников — например, кремния, который часто применяется в фотонных устройствах», — рассказал один из авторов исследования, ведущий сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Петров.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» в рамках фронтирной лаборатории «Нанофотонные метаструктуры для сверхбыстрых оптических вычислений».