前沿丨用于光計算：可控制光散射硅基納米天線

2017-02-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在發(fā)表在《激光與光子學(xué)的評論》雜志上的一篇文章中,研究人員設(shè)計了一種新型的非線性納米天線,其可以根據(jù)入射波強度進行改變光的散射方向。一組彼得堡國立信息技術(shù)機械與光學(xué)大學(xué)、莫斯科物理技術(shù)學(xué)院和得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家,已經(jīng)開發(fā)出了一個非常規(guī)的納米天線,能夠取決于入射輻射強度進行光的特定方向的散射。該項研究結(jié)果將有助于電信系統(tǒng)中的靈活的光學(xué)信息處理的發(fā)展。

光子作為電磁輻射的載體,既沒有質(zhì)量,也沒有電荷。這意味著,光是相對難以控制的,不像例如電子那樣可以通過施加恒定的電場進行控制。然而,一些如納米天線等設(shè)備能夠一定程度上實現(xiàn)電磁波的傳播控制。一個需要“先進”的光處理的領(lǐng)域即發(fā)展光學(xué)計算機。在這些設(shè)備中,信息不是由電子攜帶的,而是由光子攜帶的。使用光而不是帶電粒子有可能大大提高傳輸和處理信息的速度。實現(xiàn)這種類型的電腦需要一種具有在某種程度上施加一個恒定的電場或磁場或通過改變?nèi)肷涔獾膹姸?就可進行操縱的特點的例如特定的納米天線設(shè)備。

發(fā)表在《激光與光子學(xué)的評論》雜志上的一篇文章中,研究人員設(shè)計了一種新型的非線性納米天線,其可以根據(jù)入射波強度進行改變光的散射方向(圖1)。該研究提出的納米天線的核心是硅納米顆粒,其在嚴格的激光輻射下可產(chǎn)生電子等離子體。作者以前證明了使用這些納米粒子進行非線性和超快控制光的可能性。研究人員然后設(shè)法操縱部分光進行前向和后向的輻射散射?，F(xiàn)在,通過改變?nèi)肷涔獾膹姸?他們已經(jīng)找到了一種方法來把一個散射光約束在所需的方向。

旋轉(zhuǎn)的納米天線的輻射模式,采用硅等離子體激勵機制。該研究中的納米天線是一個直徑不等的二聚體兩硅球。利用弱激光進行照射,該天線將由于其不對稱的形狀進行光線的散射(如圖2A藍圖)?？蛇M行兩個納米粒子直徑的選擇,使一個粒子在激光的波長處實現(xiàn)共振。在強激光脈沖的照射下,會在共振粒子中產(chǎn)生電子等離子體,這會導(dǎo)致粒子的光學(xué)性質(zhì)的變化。而其它的粒子是非共振的,強大的激光場對其的影響很小。一般來說,通過準確選擇兩個粒子的相對大小以及入射光束等參數(shù)(持續(xù)時間和強度)進行組合,甚至有可能讓粒子幾乎是相同的大小,從而天線會讓光束反射(在圖2a紅色)。

“現(xiàn)有的光學(xué)納米天線可以在相當寬的范圍內(nèi)進行光的控制。然而,這種能力通常是由于在它們的結(jié)構(gòu)和組成它們的材料所帶來的,因此它是不可能在任何時候進行配置這些特點的,”Denis Baranov說,他是莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的研究生且是論文的第一作者?！叭欢覀冄芯康倪@種納米天線的性質(zhì),是可以動態(tài)修改的。當我們用微弱的激光脈沖照射它時,我們會得到一個結(jié)果,但當用一個強烈的脈沖時,結(jié)果會是完全不同的。”科學(xué)家們對光的散射機理的數(shù)值模擬如圖2(b)。仿真結(jié)果表明,當納米天線由微弱的激光束進行照射時,光會散射到天線一側(cè)。然而,當用強激光脈沖進行照射納米天線時,會導(dǎo)致裝置內(nèi)的電子等離子體的散射圖案旋轉(zhuǎn)20度(紅色線)。這就提供了一個實現(xiàn)入射脈沖在不同方向偏轉(zhuǎn)弱或強的方法。

Sergey Makarov,他是彼得堡國立信息技術(shù)機械與光學(xué)大學(xué)納米光子學(xué)和材料系的資深研究員,他說“在這項研究中,我們集中研究在測量尺寸小于200×200×500納米的納米光學(xué)芯片。這遠小于一個攜帶信息的光子的波長。新的設(shè)備將使我們能夠以相比基于電子的類似設(shè)備更好的速度上進行光的傳播方向的改變。我們的設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn)很短的時間內(nèi)將一個信號分配到兩個光信道,這對于現(xiàn)在通信系統(tǒng)來說是十分重要的?！?

今天通過光纖進行信息的傳播的速度已達到幾百Gbit /s,而利用現(xiàn)代這些單個元件只有幾個Gbit / s的速度的電子設(shè)備進行信號的處理非常慢。這里提出的非線性光學(xué)納米天線可以解決這個問題,因為它工作在250 Gbit/s,這為光學(xué)信息的快速處理提供了方法。由研究人員開發(fā)的非線性天線提供了在納米量級進行控制光的更多的機會,這也將是成功開發(fā)光子計算機和其他類似的設(shè)備所必需的。

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