Оптические схемы и оптические впадиныОптические схемы управляют светом путем, электрическая схема управляет потоком электричества. По сравнению с электрическими схемами оптические системы показывают максимальную скорость, энергоэффективность и стабильность. Уже используемый в оптоволоконных коммуникациях, область прикладной фотоники делает устойчивые успехи в развитии оптических схем, которые используют наноразмерные ‘оптические впадины’ в качестве выключателей или ‘транзисторов’ для управления потоком света.
Оптические впадины ограничивают свет в крошечном космосе нескольких миллимикронов. ‘Сжатый’ в таком небольшом объеме, крошечной суммы поступающего света достаточно, чтобы вызвать небольшое изменение в длине волны пойманного в ловушку света из-за оптических свойств материала, из которого сделана впадина. Эти свойства упоминаются как «нелинейные», означая, что, если небольшое количество света может заставить оптическую впадину резонировать, более высокая интенсивность света может заставить его на самом деле переключаться между двумя различными государствами.
Этот эффект, названный «оптическая бистабильность», в конечном счете, что делает оптическую впадину, чтобы действовать как выключатель для света.Одна из проблем в проектировании и разработке оптических схем – их эффективность с точки зрения скорости и потребления энергии. Эти две особенности соединены, поскольку полная поглощенная власть оптической схемы зависит от энергии, требуемой единственной эксплуатацией ‘выключателя’, умноженной на количество операций в секунду. Следовательно, наиболее вероятные впадины, которые будут осуществлены в оптической схеме, должны быть разработаны для минимальной энергии переключения.
Новый, низкоэнергетический транзистор для светаГруппы Ромюальда Худра и Винченцо Савоны в EPFL теперь проектировали, изготовили и успешно проверили оптическую впадину на основе ‘фотонной кристаллической наноструктуры’ (PCN), который требует рекордно низкой энергии включить и выключить.
PCN сделан из кремниевой плиты и объединяет рекордный небольшой размер с очень высоким качеством, или «Q», фактор, который является измерением того, сколько времени PCN может сохранить свет. Измеренный фактор Q нового устройства PCN 500,000, означая, что поступающий фотон подпрыгнет назад и вперед в оптической впадине пятьсот тысяч раз перед возможностью избежать.
Высокий фактор Q означает, что фотоны проводят больше времени во впадине. У нового PCN также есть очень небольшой размер, который производит более высокую интенсивность света для той же самой энергии. «Нелинейность пропорциональна интенсивности, и эффект более силен, если Вы допускаете более длительные времена наращивания», объясняет Савона. «Это вызвано тем, что свет взаимодействует дольше с материалом, который обеспечивает нелинейность».
Комбинация высокого фактора Q с небольшим размером – то, почему новый PCN требует очень низкой энергии для действия как выключатель.«В этой работе мы достигли нелинейных эффектов в рекордно низкой интенсивности света», говорит Ромюальд Худр. «Наша структура – также один из самых маленьких, когда-либо разработанных, чтобы показать такие рекордные нелинейные свойства, и это может быть построено, используя стандартную технологию нанофальсификации.
Это – очень важный шаг на пути к оптическим схемам, поскольку небольшой размер, скорость и низкое энергопотребление – ключевые требования для реализации эффективного оптического наноустройства переключения».