Наноантенны для ультрабыстрых оптических коммуникаций
Европейские ученые разработали новый тип ультрабыстрых оптических переключателей, принцип действия которых основан на плазмонных «наноантеннах». Новый элемент, работающий при крайне низких энергиях, имеет большие перспективы для применения в интегрированных фотонных цепях и квантовых электронных устройствах.
Антенны традиционно используются для передачи электромагнитных волн на радио частотах (например, сигналов радио и телевидения). Однако, аналогичные идеи можно применить и к оптическим коммуникациям, сократив размеры антенн до нанометров.
Принцип действия антенны основан на «эксплуатации» стоячей волны, возникающей в веществе (стержне антенны, например) при определенной длине волны; таким образом, длина антенны должна быть соизмерима с этой величиной для лучшего использования резонансных явлений.
Ранее оптические антенны можно было считать фантастикой, т.к. невозможно было создать устройство, размеры которого будут соизмеримы с длиной волны видимого света. Но развитие нанотехнологий открыло человечеству путь к оптическим антеннам, т.е. к управлению световыми потоками в наномасштабах. Вероятно, в будущем наноантенны будут если не главным, то одним из основных инструментов для дальнейшего движения вперед таких направлений, как нанофотоника.
Для выполнения своей функции оптические антенны должны обладать так называемыми «плазмонными модами», которые могут быть настроены таким образом, чтобы резонировать с электромагнитными переходами в окрестных молекулах. Именно эти плазмонные моды позволяют увеличивать взаимодействие между частицами света, излучаемыми соседними молекулами.
Для исполнения этого требования группа ученых из ряда европейских университетов спроектировала плазмонное устройство, состоящее из дипольной антенны с двумя проводящими стержнями. В качестве фотопроводящего материала в предложенной схеме использовался кремний. Результаты работы, в которой принимали участие исследователи из Испании, Франции и Великобритании, были опубликованы в журнале Nano Lett.
Устройство состоит из двух близко расположенных металлических стержней, между которыми находится аморфный кремний; оно способно переключаться между двумя состояниями. Свойства конденсатора, проявляющиеся в обычных условиях, изменяются на свойства проводника при освещении устройства лучом света.
«Переключение» свойств происходит при определенной энергии падающего света. При энергиях чуть ниже «порога переключения», каждый из стержней, составляющих антенну, имеет собственные резонансы, т.е. каждому из них соответствует своя резонансная длина волны света. Но, при достижении «порога», взаимодействие стержней увеличивается и они начинают проводить электричество «в паре». Это, как говорят ученые, приводит к принципиально новому варианту резонанса, сформированного всей антенной. А способствует этому размещенный между стержнями фотопроводник (упомянутый выше аморфный кремний).
Важно, что такой «переключатель» работает при достаточно низких «пороговых» энергиях (порядка пикоджоулей). Это означает, что устройство может быть с легкостью использовано в интегрированных оптоэлектронных цепях, где подобные антенны могли бы объединить электрические и оптические каналы передачи информации.
На данный момент наноантенна существует лишь в виде абстрактного лабораторного устройства и ближайшая цель научной группы – создание первого реального переключателя.
