Фотонным чипам может больше не понадобиться длинный участок кристалла, чтобы заставить свет эффективно взаимодействовать со светом. Международная группа физиков создала наноструктуру, которая резко усиливает нелинейный оптический отклик на длинах волн, используемых в телекоммуникациях. Разработка может сократить размеры преобразователей частоты, снизить энергозатраты фотонных систем и упростить создание компонентов для центров обработки данных и квантовых устройств.
Исследователи из Гарвардского университета, Технологического университета Граца и Техасского университета в Остине объединили полупроводниковую структуру из арсенида галлия и алюминий-галлий-арсенида с диэлектрической метаповерхностью. Результаты исследования опубликованы в Nature Nanotechnology.
Обычная оптическая связь использует преимущественно линейное распространение света: частота и другие основные характеристики волны при прохождении через материал сохраняются. Для преобразования частот, сверхбыстрой обработки сигналов, генерации запутанных фотонов и ряда квантовых операций требуется нелинейная оптика, при которой сильное электромагнитное поле меняет отклик материала и позволяет световым волнам взаимодействовать друг с другом.
Один из классических примеров такого процесса называется генерацией второй гармоники. Два фотона исходной частоты взаимодействуют с материалом, после чего возникает излучение с удвоенной частотой и вдвое меньшей длиной волны. Подобные преобразования давно выполняют кристаллы вроде ниобата лития, но сравнительно слабая нелинейность заставляет увеличивать длину взаимодействия света с материалом и усложняет миниатюризацию устройств.
Новая система решает проблему сразу на уровне материала и управления световым полем. Исследователи методом молекулярно-лучевой эпитаксии сформировали многослойную структуру GaAs/AlGaAs с асимметрично связанными квантовыми ямами. Квантовые ямы ограничивают движение электронов настолько сильно, что внутри структуры возникают дискретные энергетические состояния, напоминающие уровни в атомах.
Две квантовые ямы получили разную ширину. Асимметрия заставляет электронное облако при взаимодействии со светом смещаться преимущественно в одном направлении, резко усиливая нелинейный отклик второго порядка. Измеренная собственная нелинейная восприимчивость структуры достигла 1,6 нм/В на длине волны 1,57 мкм, примерно в четыре раза превысив показатель массивного арсенида галлия и значительно обойдя ниобат лития.
Большая нелинейность сама по себе не решила задачу. Для полноценного использования квантовых ям свет должен создавать внутри материала компоненты электрического поля в разных направлениях. При обычном падении луча нужная компонента практически отсутствует, а подача света сбоку плохо подходит для компактных фотонных устройств.
Физики разместили поверх полупроводника метаповерхность размером 600 на 600 мкм. Метаповерхность состоит из периодического массива столбиков диоксида титана размером в несколько сотен нанометров. Наноструктуры перенаправляют электромагнитное поле и возбуждают резонанс направляемой моды, одновременно усиливая свет внутри квантовых ям и создавая нужную поляризацию.
На длине волны около 1,57 мкм метаповерхность усилила произведение необходимых компонентов электрического поля примерно в 57 раз по сравнению с неструктурированным материалом при падении света под углом 45 градусов. В результате эффективная нелинейная восприимчивость всей системы достигла примерно 14 нм/В, более чем в 270 раз превысив крупнейший соответствующий коэффициент ниобата лития.
Интенсивность генерации второй гармоники зависит от квадрата нелинейного отклика, поэтому столь большая разница превращается в выигрыш преобразования примерно на пять порядков. Технологический университет Граца оценивает усиление примерно в 72 тысячи раз для длин волн, применяемых в телекоммуникациях. Показатель характеризует нелинейное оптическое преобразование в экспериментальной структуре, а не общую энергетическую эффективность готового коммерческого фотонного чипа.
Неожиданно важным оказался угол падения света. При строго перпендикулярном освещении симметрия метаповерхности приводит к взаимному подавлению нужных оптических полей, поэтому сигнал второй гармоники практически исчезает. Наклон образца всего на 0,3 градуса нарушил симметрию и обеспечил максимальный измеренный отклик. Резонанс работал около длины волны 1,567 мкм, близкой к диапазону современной оптоволоконной связи.
Эксперимент также показал ограничение резонансного подхода. Ширина резонанса составляла около 1,39 нм, а коэффициент добротности достигал 1125. Только примерно 1,3% спектра использованного лазерного импульса попадало в резонанс, поэтому дальнейшая оптимизация метаповерхности и источника света способна заметно повысить практическую эффективность устройства.
Авторы рассматривают работу как доказательство принципа, а не готовый элемент для массового производства. Диэлектрические и полупроводниковые материалы выдерживают высокие оптические поля и совместимы с технологиями производства микроэлектроники. Дальнейшая настройка размеров квантовых ям, толщины барьеров и геометрии метаповерхности может усилить нелинейный отклик и адаптировать платформу под конкретные длины волн.
Помимо удвоения частоты, разработанный принцип подходит для смешения и разности частот, сверхбыстрой обработки оптических сигналов и спонтанного параметрического преобразования, применяемого для получения запутанных фотонов. На практике компактные преобразователи могут найти применение в интегральной фотонике, квантовой связи, частотных гребёнках и оптических соединениях между вычислительными системами внутри ЦОД.