! Нанофотоника. Выключатель скорости света

Интерферометр Маха-Цендера

Выключатель скорости света

Из классических курсов оптики известно, что групповая скорость света в некоторых средах вблизи резонансного поглощения может быть заметно меньше его скорости в вакууме. Россия стоит у самых истоков исследования этого явления. В вышедших из моды отечественных учебниках физики упоминаются т.н. «крюки Рождественского», обнаруженные еще в начале прошлого века, дающие наглядное и запоминающееся представление об этом явлении. Подзабытые классические представления превратились в сенсацию, когда была опубликована статья по «остановке света» [1] в парах рубидия. Попав в список лучших работ по физике 2001 года, работа [1] вызвала лавину работ, в которых свет затормаживался или ускорялся. Отметим, что, несмотря на широкое признание, сама работа [1], которая дала старт целому направлению, подверглась достаточно квалифицированной критике [2].

Длительное время эксперименты по «остановке света» оставались вотчиной оптических лабораторий, оснащенных перестраиваемыми лазерами и обладающих опытом работы по т.н. «оптической накачке», как правило, в разреженных газах. Микроминиатюризацию, необходимую для практических применений, на этом пути представить было невозможно. В то же время отсутствие возможности остановить световой сигнал оставалось одним из ключевых препятствий на пути реализации оптических компьютеров. При всех своих преимуществах перед электрическим током свет не мог храниться в регистрах или ждать, пока освободится информационная шина. Это означало, что оптический компьютер нельзя было развивать, как эволюцию уже существующих ЭВМ. Создавать же оптический компьютер от нуля, с изменением основополагающей идеологии, по-видимому, не брались даже бесшабашные оптимисты.

Однако статья, опубликованная в ноябрьском Nature [4], возможно, знаменует преодоление тупика. Сотрудники IBM T.J. Watson Research Center (США) реализовали электрическое управление скоростью света в микроминиатюрном устройстве на кремниевой микросхеме. Несколько фотографий ключевых частей этого устройства приведены на рис. 1. Само устройство представляет собой интерферометр Маха-Цендера. Выбор интерферометрической схемы регистрации авторы аргументируют тем, что при обычных экспериментах с измерением времени прохождения светового импульса та самая сильная аномальная дисперсия, которая необходима для эффекта изменения групповой скорости, одновременно приводит к изменению формы импульса. В свою очередь, изменение формы импульса приводит к неопределенности при фиксации момента прохождения импульса, что оказывается сравнимым по величине с исследуемым эффектом. Интерференционная схема, в которой непосредственно регистрируется задержка одного луча относительно другого, в значительной степени лишена этого недостатка.

В обсуждаемом устройстве пластиковые волноводы, разделяющие свет по плечам интерферометра, сопряжены с отрезками фотонных кристаллов, которые составляют часть пути света в каждом разделенном плече. В свою очередь, фотонные кристаллы реализованы как «решето» из отверстий в тонкой, 223-нанометровой кремниевой пластине. Система отверстий, как видно из приведенной иллюстрации, образовывала треугольную решетку с периодом 437 нм, радиусы отверстий составляли четверть периода. Преимущество фотонных кристаллов перед другими средами заключалось в сильной хроматической дисперсии в используемой спектральной области вблизи края фотонной зоны. Авторы указывают, что эта величина в 10⁷ превышала хроматическую дисперсию обычных волноводных систем связи.

Рис. 1. СЭМ изображение пассивного несбалансированного интерферометра Маха-Цендера с волноводом на фотонных кристаллах

Столь сложная система настраивает на, как минимум, адекватно сложные эксперименты. Однако в решающей фазе эксперимента авторы обошлись без излишних сложностей. Подведя соответствующим образом электрические контакты, авторы смогли по своему усмотрению нагревать одно или другое плечо интерферометра и, варьируя тем самым параметры материала в одном из плеч, менять, в том числе, и скорость прохождения света в конкретном плече интерферометра. Достигнутое изменение скорости света легко регистрировалось интерферометром по изменению интенсивности прошедшего через него света. Работа названа авторами «Активный контроль скорости света в микросхеме с фотонным кристаллом» - что есть абсолютная правда; в тексте статьи упоминается еще и «…электрическое управление…» вышеупомянутой скоростью.

В итоге: опубликованное «активное электрическое управление скоростью света» по причинам, упомянутым выше, безусловно, долгожданный результат. За то время, пока оптический компьютер числился в "листе ожидаемых" перспективных систем, традиционная электроника достигла таких параметров, которые и не снились во времена зарождения идеи оптического компьютера, и процесс освоения новых технологий и идей продолжается. И, хотя и маловероятно, что электронная вычислительная техника позволит оптическим ЭВМ себя догнать, новый результат, скорее всего, будет востребован - научные результаты, как и рукописи, не горят.

М.Компан

Источники:

1. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 783
2. УФН 2004, 174, 1105
3. ПерсТ 2001, 8, вып.1/2, http://perst.issp.ras.ru/Control/Inform/perst/2001/101_2/index.htm 2004, 11, вып. 24 http://perst.issp.ras.ru/Control/Inform/perst/2004/4_24/index.htm

4. Yurii A. Vlasov et al. Nature 2005, 438, 65

 

nanonewsnet.ru

Опубликовано на сайте: 2006-01-10