Оптическая электроника направлена на интеграцию оптических и электронных систем на невероятно высоких скоростях с использованием сверхбыстрых колебаний световых полей.

Представьте себе, как работает телефонный звонок: ваш голос преобразуется в электронные сигналы, смещается на более высокие частоты, передаётся на большие расстояния, а затем снова смещается вниз, чтобы его было ясно слышно на другом конце. Процесс, обеспечивающий такое смещение частот сигнала, называется смешением частот, и он необходим для таких коммуникационных технологий, как радио и Wi-Fi. Смесители частот являются жизненно важными компонентами во многих электронных устройствах и обычно работают с использованием частот, которые колеблются от миллиардов (ГГц, гигагерц) до триллионов (ТГц, терагерц) раз в секунду.

Теперь представьте себе частотный смеситель, который работает с частотой квадриллион раз (ПГц, петагерц) в секунду — до миллиона раз быстрее. Этот диапазон частот соответствует колебаниям электрических и магнитных полей, которые составляют световые волны. Петагерцовые частотные смесители позволили бы нам смещать сигналы вверх до оптических частот, а затем обратно к более обычным электронным частотам. Так мы смогли бы передавать и обрабатывать огромные объемы информации с невероятно высокой скоростью. Такой скачок в скорости — не просто позволит осуществлять процессы намного быстрее, это совершенно новые возможности.

Оптическая электроника (или петагерцовая электроника) — это новая область, которая стремится объединить оптические и электронные системы, работающие на невероятно высоких скоростях, используя сверхбыстрые колебания световых полей. Основная идея заключается в том, чтобы использовать световые волны, которые колеблются в субфемтосекундных ( $10^{-15}$ секунд) временных масштабах, для непосредственного управления электронными процессами. Это позволяет обрабатывать информацию и манипулировать ей на скоростях, намного превосходящих те, которые возможны с помощью современных электронных технологий.

Недавняя демонстрация электронно-оптического смесителя на частотах петагерцового диапазона — первый шаг на пути к ускорению коммуникационных технологий. Это двигает исследования в направлении разработки новых миниатюрных электронно-оптических схем, способных обрабатывать оптические сигналы непосредственно в наномасштабе.

В 1970-х годах учёные начали изучать способы расширения электронного смешения частот на терагерцовый диапазон с помощью диодов. Хотя эти ранние попытки были многообещающими, прогресс застопорился на десятилетия. Однако в последнее время достижения в области нанотехнологий вновь оживили эту область исследований. Учёные обнаружили, что крошечные структуры, такие как игольчатые наконечники нанометровой длины и плазмонные антенны, могут функционировать аналогично тем ранним диодам, но на гораздо более высоких частотах.

Недавняя статья, опубликованная в Science Advances Мэтью Йенгом, Лу-Тином Чоу, Марко Туркетти, Феликсом Ритцковски, Карлом К. Берггреном и Филиппом Д. Китли из Массачусетского технологического института, продемонстрировала значительный шаг вперёд. Они разработали электронно-оптический смеситель для обнаружения сигналов, который работает за пределами 0,35 ПГц с использованием крошечных наноантенн. Эти наноантенны могут смешивать различные частоты света, позволяя анализировать сигналы, колеблющиеся на порядки быстрее, чем самые быстрые сигналы, доступные для обычной электроники. Такие электронные устройства петагерцового диапазона могут обеспечить разработки, которые в конечном итоге произведут революцию в областях, требующих точного анализа чрезвычайно быстрых оптических сигналов, таких как спектроскопия и визуализация. В них изучение динамики фемтосекундного масштаба имеет решающее значение (фемтосекунда составляет одну миллионную от одной миллиардной секунды).

Исследование команды показывает возможность использования сетей наноантенн для создания широкополосного электронно-оптического смесителя частот на чипе. Этот инновационный подход позволяет точно считывать формы оптических волн, охватывающие более одной октавы полосы пропускания. Важно, что этот процесс работал с использованием готового коммерческого лазера, который можно купить, а не с помощью лабораторного настраиваемого лазера.

Хотя смешение оптических частот возможно с использованием нелинейных материалов, этот процесс является чисто оптическим (то есть преобразует входной свет в выходной свет на новой частоте). Кроме того, толщина материалов должна быть во много раз больше длины волны, что ограничивает размер устройства микрометрическим масштабом (микрометр равен одной миллионной части метра). Напротив, продемонстрированный авторами метод оптической электроники использует управляемый светом туннельный механизм, который обеспечивает высокую нелинейность для смешения частот и прямого вывода электронного сигнала с использованием устройств нанометрового масштаба (нанометр равен одной миллиардной части метра).

Это исследование было сосредоточено на характеристике световых импульсов разных частот, и исследователи предполагают, что подобные устройства позволят строить электронно-оптические схемы, работающие в петагерцовом диапазоне. Такие устройства с полосой пропускания, охватывающей несколько октав, могут предоставить новые способы исследования сверхбыстрых взаимодействий света и материи, ускоряя прогресс в технологиях.

Эта работа расширяет границы возможностей оптической обработки сигналов и устраняет разрыв между областями электроники и оптики. В конечном итоге это расширяет наши возможности по исследованию и управлению сверхбыстрой динамикой света.

Схема эксперимента

(A) Стробирующий импульс освещает сеть наноантенн и запускает субоптическую циклическую электронную эмиссию. Сигнальный импульс вводится с переменной задержкой. Этот сигнальный импульс модулирует электронную эмиссию из наноантенн, что приводит к процессу смешения оптических частот. Поляризация как стробирующего импульса, так и сигнального импульса параллельна оси наноантенны, как указано чёрной стрелкой.

(B) Характерное изображение сканирующего электронного микроскопа, показывающее наноантенны и поляризацию электромагнитного импульса, падающей на наноантенны.

(C) Устройства можно концептуализировать как электронные гармонические смесители частот (верхняя схема) с формой стробирующего импульса центральной частоты fgate, служащей в качестве локального осциллятора (LO, с центральной частотой fLO = fgate), и сигнальным импульсом, имеющим центральную частоту fsignal, равную оптической частоте на входе (OF, с центральной частотой fOF = fsignal). Процесс смешения (нижняя схема) обеспечивает электронный сигнал в полосе модулирующих частот [промежуточная частота (IF)] для обнаружения гармоник локального осциллятора kfLO (правый график). Здесь мы измеряем отклик полосы модулирующих частот для измерения сигнала с разрешением по полю как функцию задержки τ.

Автор перевода @arielf

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

Наноструктуры позволили реализовать эффективные электронно-оптические устройства