Новый оптический чип перенаправляет свет в миллионы раз быстрее аналогов

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали фотонный чип, способный перенаправлять световой луч за 74 фемтосекунды — это 74 квадриллионные доли секунды, примерно столько времени требуется свету, чтобы преодолеть толщину человеческого волоса. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Ключевой элемент устройства — метаповерхность (ультратонкая наноструктура) из аморфного кремния, покрытая столбиками субволнового размера. Система работает без электрических сигналов: интенсивный «накачивающий» луч изменяет оптические свойства материала за счет эффекта Керра (кратковременное изменение показателя преломления под действием мощного света), а второй — «зондирующий» — луч отклоняется вслед за этими изменениями. Угол отклонения достигает 13 градусов.

Наностолбики подобраны таким образом, чтобы свет циркулировал внутри метаповерхности, задерживаясь на короткое время, — это многократно усиливает слабый эффект Керра и делает управление практически применимым.

Традиционные технологии модуляции света — жидкокристаллические панели и телекоммуникационные оптические чипы — основаны на переходах электронов между энергетическими уровнями. Время «возврата» электронов ограничивает скорость переключения до наносекунд и пикосекунд (триллионных долей секунды). Новый подход исключает долгоживущие электронные переходы: эффект возникает и исчезает вместе с самим световым импульсом.

Авторы признают, что нынешняя скорость определяется длительностью лазерных импульсов, а не свойствами материала, поэтому потенциал технологии еще не исчерпан. Дальнейшая работа может приблизить ее к концепциям временных кристаллов и синтетических оптических сред. Практическое применение фотонных чипов, управляющих светом за фемтосекунды, — скоростные телекоммуникации, фотонные вычисления и высокочувствительные сенсорные системы.