Demo dell'interruttore completamente ottico. Credito:Università di Tampere
Un gruppo di ricercatori di fotonica dell'Università di Tampere ha introdotto un nuovo metodo per controllare un raggio di luce con un altro raggio attraverso una metasuperficie plasmonica unica in un mezzo lineare a bassissima potenza. Questo semplice metodo di commutazione lineare rende i dispositivi nanofotonici come il calcolo ottico e i sistemi di comunicazione più sostenibili, richiedendo una bassa intensità di luce.
La commutazione completamente ottica è la modulazione della luce di segnalazione dovuta alla luce di controllo in modo tale da possedere la funzione di conversione on/off. In generale, un raggio di luce può essere modulato con un altro raggio laser intenso in presenza di un mezzo non lineare.
Il metodo di commutazione sviluppato dai ricercatori si basa fondamentalmente sul fenomeno ottico quantistico noto come Enhancement of Index of Refraction (EIR).
"Il nostro lavoro è la prima dimostrazione sperimentale di questo effetto sul sistema ottico e del suo utilizzo per la commutazione lineare tutto-ottica. La ricerca illumina anche la comunità scientifica per realizzare dispositivi plasmonici con compensazione della perdita che operano a frequenze di risonanza attraverso uno straordinario miglioramento dell'indice di rifrazione senza utilizzando qualsiasi mezzo di guadagno o processi non lineari", afferma Humeyra Caglayan, professore associato (tenure track) in Photonics presso l'Università di Tampere.
Commutazione ottica abilitata con velocità ultraveloce
La commutazione ad alta velocità e il mezzo a bassa perdita per evitare la forte dissipazione del segnale durante la propagazione sono la base per sviluppare la tecnologia fotonica integrata in cui i fotoni sono utilizzati come vettori di informazioni invece degli elettroni. Per realizzare reti di switch completamente ottiche su chip e unità di elaborazione centrali fotoniche, la commutazione completamente ottica deve avere tempi di commutazione ultraveloci, potenza di controllo della soglia ultrabassa, efficienza di commutazione ultraelevata e dimensioni delle caratteristiche su scala nanometrica.
"Il passaggio tra i valori del segnale di 0 e 1 è fondamentale in tutti i dispositivi elettronici digitali, inclusi computer e sistemi di comunicazione. Negli ultimi decenni, questi elementi elettronici sono diventati gradualmente più piccoli e veloci. Ad esempio, i normali calcoli eseguiti con i nostri computer sull'ordine di secondi non poteva essere fatto con i vecchi computer delle dimensioni di una stanza, nemmeno in diversi giorni", osserva Caglayan.
Nell'elettronica convenzionale, la commutazione si basa sul controllo del flusso di elettroni sulla scala temporale di un microsecondo (10 -6 sec) o nanosecondi (10 -9 sec) portata collegando o scollegando la tensione elettrica.
"Tuttavia, la velocità di commutazione può essere aumentata a una scala temporale ultraveloce (femtosecondi 10 -15 sec) sostituendo gli elettroni con plasmoni. I plasmoni sono una combinazione di fotoni e un insieme di elettroni sulla superficie dei metalli. Ciò consente la commutazione ottica con il nostro dispositivo con femtosecondi (10 -15 sec) velocità", afferma.
"Il nostro nanointerruttore plasmonico è costituito da una combinazione a forma di L di nanorods metallici. Uno dei nanorod riceve un segnale polarizzato linearmente e l'altro riceve un altro raggio di 'controllo' polarizzato linearmente perpendicolare al primo raggio", afferma il ricercatore post-dottorato Rakesh Dhama , il primo autore dell'articolo pubblicato su Nature Communications .
Per polarizzazione si intende la direzione in cui oscilla il campo elettrico del raggio. Il raggio di controllo può attenuare o amplificare il segnale a seconda della differenza di fase tra i raggi. La differenza di fase si riferisce alla differenza di tempo in cui ogni raggio raggiunge la sua massima intensità. L'amplificazione del segnale avviene a causa del trasferimento di una parte dell'energia ottica dal raggio di controllo al segnale attraverso una sovrapposizione costruttiva con una differenza di fase accuratamente progettata.
Miglioramento delle prestazioni dei dispositivi plasmonici
Allo stesso modo, l'attenuazione del segnale si ottiene per sovrapposizione distruttiva quando i fasci hanno la differenza di fase opposta. Questa scoperta rende i dispositivi nanofotonici come il calcolo ottico e i sistemi di comunicazione più sostenibili che richiedono una bassa intensità di luce. Questo semplice metodo di commutazione lineare può sostituire gli attuali metodi di elaborazione ottica, informatica o comunicazione accelerando lo sviluppo e la realizzazione di sistemi plasmonici su scala nanometrica.
"Ci aspettiamo di vedere ulteriori studi sulle strutture plasmoniche che utilizzano il nostro metodo di commutazione migliorato e possibilmente l'uso del nostro metodo nei circuiti plasmonici in futuro. Inoltre, la metasuperficie a forma di L potrebbe essere ulteriormente studiata per rivelare la commutazione ad altissima velocità sotto l'illuminazione di impulsi laser a femtosecondi e per studiare il potenziamento non lineare e il controllo delle nanoparticelle plasmoniche", osserva Humeyra Caglayan.
Il controllo della risposta non lineare delle nanostrutture fornisce applicazioni e funzionalità ancora più interessanti ai dispositivi nanofotonici come il calcolo ottico e i sistemi di comunicazione.
"Questo approccio ha anche il potenziale per migliorare le prestazioni dei dispositivi plasmonici creando trasparenza a banda larga per un raggio di segnale senza alcun mezzo di guadagno. Può aprire diversi modi per progettare elementi fotonici intelligenti per la fotonica integrata", afferma Cagalayan. + Esplora ulteriormente
