За последние десятилетия инженеры внедрили множество технологий, основанных на свете и его характеристиках. К ним относятся фотонные и квантовые системы, которые могут улучшить визуализацию, связь и обработку информации.
Однако ключевым вызовом, ограничивающим производительность этих новых технологий, является то, что большинство используемых материалов имеют слабую оптическую нелинейность. Это означает, что они слабо реагируют на свет разной интенсивности.
Сильная оптическая нелинейность имеет решающее значение для разработки сверхбыстрых оптических переключателей — устройств, которые могут управлять светом или электрическими сигналами, модулируя свойства светового сигнала (например, его интенсивность или путь). Эти переключатели являются центральными компонентами волоконно-оптических систем связи, фотонных устройств и квантовых технологий.
В статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, исследователи из Университета Пердью представили стратегию управления светом с помощью только света (то есть полностью оптическая модуляция) в кремниевом устройстве, используя так называемый процесс лавинного размножения электронов.
Из истории лаборатории
Многие годы основная задача нашей лаборатории заключалась в разработке сверхбыстрых однофотонных источников на основе твердотельных квантовых излучателей, соединённых с плазмонными резонаторами. Такие системы теоретически могут генерировать одиночные фотоны на терагерцовых частотах. Однако в фотонных схемах преимущества таких высокоскоростных источников не могут быть полностью реализованы без столь же быстрого однофотонного детектора. Это побудило нас исследовать это дополнительное направление.
Проанализировав предыдущую литературу, Сычёв и его коллеги поняли, что, хотя существуют хорошо зарекомендовавшие себя методы обнаружения сверхбыстрых фемтосекундных импульсов на ТГц частотах (и даже на более высоких частотах), у этих методов есть ограничения. Они работают только при использовании мощных пучков и неэффективны на уровне одиночных фотонов.
«Это привело нас к вопросу, можно ли создать сверхбыстрый модулятор, способный переключать макроскопический оптический луч в ответ на один фотон», — сказал Сычёв. «В такой схеме одиночный фотон будет модулировать макроскопический луч, и результирующее изменение можно будет обнаружить с помощью сверхбыстрой техники измерения. Вместе эти процессы позволят осуществлять однофотонное детектирование на чрезвычайно высоких скоростях».
Исследователи определили физический механизм, который может надёжно обеспечить полностью оптическую модуляцию. Это эффект лавинного размножения электронов — физическое явление, лежащее в основе работы многих однофотонных детекторов.
Профессор Владимир М. Шалаев из Университета Пердью связывает оптические модуляторы с электронными транзисторами. «Изобретение транзисторов было самым замечательным и значимым открытием прошлого века, которое сделало возможными современные электронные технологии с их многочисленными приложениями», — объясняет Шалаев.
«Фотоны — это превосходные, непревзойдённые единицы информации — у них нулевая масса, и они распространяются с предельной скоростью — скоростью света. Поэтому, если мы сможем использовать фотоны для модуляции и переключения — функции, которая в настоящее время реализуется с помощью электронного транзистора — мы сможем обрабатывать информацию на более высоких скоростях и, таким образом, произведём революцию в вычислениях, связи, сенсорах и других смежных технологиях. Мы считаем, что наша работа — это шаг в этом важном направлении».
В своём эксперименте Сычёв и его коллеги реализовали сильную оптическую нелинейность, направив на кремний луч с интенсивностью на уровне одиночных фотонов. Это в конечном итоге привело к лавинному размножению электронов, когда один заряженный электрон побуждал другие электроны освобождаться от атомов.
«Процесс, который мы используем, очень похож на то, что происходит в стандартном фотодиоде при измерении интенсивности света», — объяснил Сычёв. «Когда свет освещает полупроводниковую диод, он генерирует энергичные, так называемые свободные электроны в проводящей энергетической зоне материала, которые могут свободно перемещаться в нём. В результате освещённый полупроводник становится более «металлическим», увеличивая свою электропроводность. Это изменение можно обнаружить с помощью внешней электрической схемы, что является основой работы фотодиода».
Увеличение металлического поведения использованного ими полупроводника на основе кремния влияет как на его электрические, так и на оптические свойства. Поскольку известно, что металлические материалы лучше отражают свет, освещение диода также изменяет его отражательную способность.
«Важно отметить, что чем больше генерируется свободных электронов, тем сильнее «металличность», то есть эффект масштабируется с количеством поглощённых фотонов», — сказал Сычёв. «Однако этот подход работает только для лучей высокой интенсивности и полностью не работает на уровне одиночных фотонов. Один фотон генерирует только один электрон — слишком малое изменение, чтобы заметно повлиять на оптический или электрический отклик устройства. По этой причине прямой подход непрактичен для приложений с низким энергопотреблением или квантовых приложений».
Чтобы преодолеть ограничения ранее предложенных методов и эффективно реализовать полностью оптическую модуляцию в режиме одиночных фотонов, Сычёв и его коллеги использовали процесс умножения электронов. Лавинный процесс был запущен путём подачи на диод высокого напряжения.
«Когда один фотон генерирует один свободный электрон, сильное электрическое поле ускоряет его, позволяя ему набрать ещё больше энергии», — сказал Сычёв. «Этот электрон затем создаёт дополнительные энергичные электроны, которые, в свою очередь, ускоряются и производят ещё больше электронов, инициируя лавинный процесс, который создаёт большую популяцию свободных электронов из начального одиночного».
Эффект лавинного размножения электронов, использованный исследователями, быстро увеличил плотность свободных электронов в кремнии, повысив его «металличность», даже если в нём был поглощён только один фотон. Затем команда направила на своё устройство второй луч и показала, что он также испытал изменение отражённой интенсивности, вызванное начальным управляющим лучом.
«Такое поведение эффективно имитирует фотонный транзистор, где сигнал на уровне одиночных фотонов модулирует макроскопический оптический луч», — сказал Сычёв.
Стратегия оптической модуляции, представленная исследователями, значительно увеличивает нелинейный показатель преломления их кремниевого устройства. Отражательная способность материала оказалась значительно выше, чем у других известных материалов.
«Принцип, который мы изложили, уникален своей способностью создавать сильные взаимодействия между двумя оптическими лучами, независимо от их мощности или длины волны», — сказал Сычёв. «Хотя многие подходы на уровне одиночных фотонов — такие как квантовые излучатели, соединённые с оптическими резонаторами — могут опосредовать взаимодействие между двумя слабыми лучами, большинство других методов позволяют осуществлять полностью оптическую модуляцию только на макроскопических уровнях мощности. Однако практически не существует подходов, в которых луч на уровне одиночных фотонов может надёжно контролировать или модулировать высокоэнергетический макроскопический луч».
Дальнейшее преимущество подхода команды заключается в том, что он основан на внутренних, локальных свойствах полупроводников. Поэтому он должен, в принципе, преодолеть ограничения, связанные с введением внешних электронных компонентов.
«В будущих реализациях наш принцип может позволить достичь субтерагерцовых и терагерцовых тактовых частот», — сказал Сычёв. «Кроме того, наш подход работает при комнатной температуре, не требует оптического резонатора и полностью совместим с технологией КМОП».
В будущем предложенная исследователями стратегия оптической модуляции на основе лавинного размножения электронов может быть усовершенствована и использована для создания новых сверхбыстрых оптических переключателей. Эти переключатели, в свою очередь, могут быть использованы для масштабирования фотонных схем и квантовых информационных технологий.
«В совокупности особенности нашего подхода делают его идеально подходящим для построения сверхбыстрых крупномасштабных полностью оптических фотонных схем», — сказал Сычёв. «Такие технологии могут найти применение в различных задачах обработки информации, включая вычисления и связь. Они также могут быть применимы в других областях, требующих сильной оптической нелинейности, таких как биовизуализация, генерация лазера и связанные с ними фотонные приложения».
Метод, используемый исследователями, не сохраняет когерентность между взаимодействующими лучами. Тем не менее, первоначальные результаты показывают, что он может позволить реализовать полностью оптические квантовые схемы, работающие на чрезвычайно высоких тактовых частотах.
«При соответствующих протоколах это может даже помочь в реализации некоторых фотонных квантовых вентилей», — сказал Сычёв. «На данном этапе мы продемонстрировали принципиальный результат, показывающий, что такая модуляция действительно возможна. Для этой первоначальной демонстрации мы использовали коммерческий однофотонный детектор, который никоим образом не был оптимизирован для этой цели. Мы считаем, что лежащая в основе идея имеет огромный потенциал, но для реализации практического однофотонного переключателя потребуются значительные дальнейшие разработки».
В будущем исследователи надеются развить свою предложенную стратегию для создания однофотонного переключателя, который можно было бы использовать в реальных устройствах. Для этого им сначала необходимо провести дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования.
«По сути, мы попытаемся глубже понять, как лавинный процесс развивается во времени и пространстве», — добавил Сычёв. «С инженерной точки зрения потребуются достижения в геометрии устройств, конструкции диодов, сопряжении с фотонными структурами, исследовании различных электрических режимов и оценке новых материалов. Мы предполагаем, что эта концепция может открыть совершенно новое направление исследований, в конечном итоге позволив создать полностью оптические фотонные схемы как для квантовых, так и для классических приложений».