Мягкие фотонные переключатели обещают быструю и энергоэффективную логику.

Фотонные устройства, использующие свет вместо электричества, потенциально могут быть быстрее и энергоэффективнее, чем современная электроника. Они также предоставляют уникальную возможность для разработки устройств с использованием мягких материалов, таких как полимеры и гели, которые плохо проводят электричество, но проще в производстве и более экологичны. Однако разработка таких потенциально мягких, гибких фотонных устройств требует умения управлять светом, используя только свет, а не электричество.

В области мягких материалов это достигалось в основном путем изменения физических свойств оптических материалов или с помощью интенсивных световых импульсов для изменения направления света. Теперь международная группа ученых разработала новый способ управления светом с помощью света, используя очень низкую интенсивность света и не изменяя при этом никаких физических свойств материалов.

Игорь Мушевич , профессор физики Люблянского университета, возглавлявший проект, говорит, что идея устройства впервые пришла ему в голову на конференции в Сан-Франциско, когда он слушал доклад Стефана В. Хелла о микроскопии с подавлением стимулированного излучения (STED). Эта методика визуализации, за которую Хелл получил Нобелевскую премию по химии в 2014 году, использует два лазера для создания чрезвычайно узкого светового луча для сканирования объектов. «Когда я это увидел, я сказал: это же манипуляция светом за светом, верно?» — вспоминает Мушевич.

Его открытие вдохновило на создание устройства, в которое направляется лазерный импульс. Пройдёт ли этот луч через устройство или нет, зависит от того, будет ли после него, менее чем через наносекунду, запущен второй импульс.

Фотонный переключатель на основе жидких кристаллов

Устройство состоит из сферической бусины из жидкого кристалла, удерживаемой в форме за счет упругих свойств материала и сил взаимодействия между его молекулами, пропитанной флуоресцентным красителем и зажатой между четырьмя вертикальными конусообразными полимерными структурами, которые направляют свет внутрь и наружу устройства. Когда лазерный импульс посылается через один из четырех полимерных волноводов, свет быстро передается в жидкий кристалл, возбуждая флуоресцентный краситель. В процессе, известном как резонанс в режиме шепчущей галереи, фотоны внутри жидкого кристалла отражаются обратно каждый раз, когда попадают на сферическую поверхность жидкости. В результате свет циркулирует внутри полости, пока в конечном итоге не отразится в один из волноводов, который затем излучает фотоны в виде лазерного луча.

Команда обнаружила, что отправка второго лазерного импульса другого цвета в волноводы до того, как жидкий кристалл начнет излучать свет от первого лазерного импульса, приводит к стимулированному излучению возбужденных молекул красителя. Фотоны от второго лазерного импульса, которые должны были быть направлены в волноводы после первого лазерного импульса, взаимодействуют с уже возбужденными молекулами красителя. Это взаимодействие заставляет краситель излучать фотоны, идентичные фотонам второго импульса, одновременно уменьшая энергию первого импульса. Второй лазерный луч, называемый STED-лучом, усиливается в результате этого процесса, в то время как свет от первого импульса настолько ослабевает, что вообще не излучается. Поскольку результат первого лазерного импульса можно было контролировать с помощью второго лазерного импульса, команда успешно продемонстрировала управление светом с помощью света.

Вандна Шарма, Яка Заплотник и др.

По данным команды из Любляны, энергоэффективность подхода с использованием жидких кристаллов значительно выше, чем у предыдущих методов работы с мягкими материалами, которые обычно включали использование интенсивных световых полей для изменения свойств материала, таких как показатель преломления. Новый метод снижает потребность в энергии более чем в сто раз. Поскольку импульс STED-лазера многократно циркулирует в кристалле, один фотон может израсходовать энергию первого лазерного импульса на множество молекул красителя.

Миха Равник, физик-теоретик из Люблянского университета, работавший над проектом, объясняет, что управление светом с помощью света имеет важное значение в фотонных логических элементах на основе мягкой материи. «Вы можете очень точно контролировать, когда [свет] генерируется и в каком направлении», — говорит Равник о свете, направленном в полимерные волноводы. «И это дает вам возможность создавать логические операции с помощью света».

Помимо потенциала в фотонных логических схемах, подход команды обладает рядом технических преимуществ перед фотоникой, созданной из кремния или других твердых материалов, говорит Мушевич. Например, использование мягких материалов значительно упрощает процесс производства. Жидкий кристалл в устройстве команды можно ввести менее чем за секунду, но изготовление аналогичной структуры из твердых материалов затруднительно. Кроме того, устройства из мягких материалов можно изготавливать при гораздо более низких температурах, чем устройства из кремния и других твердых материалов. Мушевич также отмечает, что мягкие материалы предоставляют возможность экспериментировать с геометрией устройства. С помощью жидких кристаллов «можно создавать множество различных типов полостей», — говорит Мушевич. «У вас, я бы сказал, огромное инженерное пространство».

Равник воодушевлен потенциалом прорыва команды, особенно как шагом к фотонным вычислениям и даже фотонным нейронным сетям. Но он признает, что до этих разработок еще далеко. «Эта технология никак не сможет конкурировать с существующими реализациями нейронных сетей», — признает он. Тем не менее, возможности заманчивы. «Предполагается, что потери энергии будут чрезвычайно низкими, а скорость вычислений — чрезвычайно высокой».