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:互聯網

在發表在《激光與光子學的評論》雜志上的一篇文章中,研究人員設計了一種新型的非線性納米天線,其可以根據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機械與光學大學、莫斯科物理技術學院和得克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家,已經開發出了一個非常規的納米天線,能夠取決于入射輻射強度進行光的特定方向的散射。該項研究結果將有助于電信系統中的靈活的光學信息處理的發展。

光子作為電磁輻射的載體,既沒有質量,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備能夠一定程度上實現電磁波的傳播控制。一個需要“先進”的光處理的領域即發展光學計算機。在這些設備中,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入射光的強度,就可進行操縱的特點的例如特定的納米天線設備。

發表在《激光與光子學的評論》雜志上的一篇文章中,研究人員設計了一種新型的非線性納米天線,其可以根據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。研究人員然后設法操縱部分光進行前向和后向的輻射散射。現在,通過改變入射光的強度,他們已經找到了一種方法來把一個散射光約束在所需的方向。

旋轉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)。可進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共振。在強激光脈沖的照射下,會在共振粒子中產生電子等離子體,這會導致粒子的光學性質的變化。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(持續時間和強度)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)。

“現有的光學納米天線可以在相當寬的范圍內進行光的控制。然而,這種能力通常是由于在它們的結構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學院的研究生且是論文的第一作者。“然而我們研究的這種納米天線的性質,是可以動態修改的。當我們用微弱的激光脈沖照射它時,我們會得到一個結果,但當用一個強烈的脈沖時,結果會是完全不同的。”科學家們對光的散射機理的數值模擬如圖2(b)。仿真結果表明,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。然而,當用強激光脈沖進行照射納米天線時,會導致裝置內的電子等離子體的散射圖案旋轉20度(紅色線)。這就提供了一個實現入射脈沖在不同方向偏轉弱或強的方法。

Sergey Makarov,他是彼得堡國立信息技術機械與光學大學納米光子學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納米的納米光學芯片。這遠小于一個攜帶信息的光子的波長。新的設備將使我們能夠以相比基于電子的類似設備更好的速度上進行光的傳播方向的改變。我們的設備將能夠實現很短的時間內將一個信號分配到兩個光信道,這對于現在通信系統來說是十分重要的。”

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

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