Физики МГУ создали субмикронный управляемый частотный преобразователь
Исследователи из МГУ имени М.В. Ломоносова в составе международной научной группы разработали устройство на основе кластера из четырех кремниевых наночастиц для эффективного преобразования инфракрасного лазерного излучения в ультрафиолетовое, а также продемонстрировали возможность управления интенсивностью полученного сигнала с помощью специального пространственного структурирования возбуждающего систему света. Рассматриваемые объекты являются полностью совместимыми с элементной базой интегральной фотоники и микроэлектроники и могут быть легко внедрены в современные мобильные платформы. Работа опубликована в авторитетном международном журнале Nano Letters.
Широкий интерес к резонансным нанофотонным структурам в научном сообществе обусловлен необходимостью развития интегральных оптических технологий для решения многих актуальных современных задач, с которыми классическая электроника не способна эффективно справляться. В течение последнего десятилетия ученые во всем мире ведут активную разработку новых фотонных устройств для применения в области цифровых технологий, связанных с крупными дата-центрами, для мобильных сенсорных устройств, а также для аналоговых оптических со-процессоров. Необходимость в обработке больших массивов данных и миниатюризации существующих устройств с каждым годом повышает интерес к полупроводниковым технологиям, работающим со светом вместо электронов. Научные коллективы со всего мира, занимающиеся нанофотоникой, рассматривают все более сложные геометрии наносистем, различные материалы и особенности возбуждающего излучения. В рамках МГУ разработками в данной области занимается лаборатория нанооптики и метаматериалов под руководством профессора физического факультета Андрея Федянина, в которой и было выполнено данное исследование.
«В работе продемонстрирована возможность использования одиночных кремниевых наноантенн специально подобранной формы для многократного увеличения генерации света с утроенной частотой, —рассказывает первый автор статьи, аспирант кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ и сотрудник лаборатории нанооптики и метаматериалов Мария Кройчук. — В данных объектах при определенном выборе поляризации возбуждающего излучения возможно появление коллективных оптических эффектов, характеризующихся значительным увеличением концентрации электромагнитного поля в объеме структуры. Это, в свою очередь, приводит к более эффективным нелинейно-оптическим преобразованиям. Возникновение коллективных оптических эффектов за счет взаимодействия близко расположенных нанообъектов, приводящих к повышению эффективности оптических преобразований, ранее уже исследовались в работах нашей лаборатории. Однако, сейчас впервые удалось эффективно возбуждать моды одиночных структур с размерами порядка 500 нм при нормальном падении излучения со специально подобранной формой лазерного пучка, при этом управляя полученным нелинейным сигналом путем настройки пространственной структуры оптического излучения. Так, при освещении нанокластеров сфокусированными фемтосекундными импульсами с азимутальной поляризацией было получено усиление мощности третьей оптической гармоники более, чем на три порядка, что значительно превосходит эквивалентные показатели существующих наноразмерных аналогов. Важно отметить, что была также экспериментально достигнута модуляция сигнала на два порядка при изменении поляризации накачки на линейную.»
Сначала ученые разработали геометрию и изготовили устройство в виде массивов отдельно стоящих кластеров из 4-х близко расположенных полупроводниковых наночастиц. Затем структуру исследовали нелинейно-оптическими методами на основе перестраиваемого фемтосекундного лазерного комплекса.
«В нашей предыдущей работе мы уже рассматривали поляризационную зависимость нелинейного отклика сильно взаимодействующих наночастиц, однако мы не стремились увеличивать его интенсивность, используя особенности коллективного отклика нанокластеров, а именно, резонансного возбуждения коллективных магнитных мод, — рассказывает один из авторов статьи научный сотрудник лаборатории нанооптики и метаматериалов Александр Шорохов. — Важнейшим преимуществом данной работы является использование лазерных пучков более сложной пространственной конфигурации, создающих необходимую нам структуру поля в кластере наноантенн и, как следствие, более эффективно их возбуждающих.»
Руководитель научной группы, профессор Андрей Федянин уверен, что данное открытие поможет в дальнейшей разработке компактных наноустройств для эффективного управления светом на интегральном оптической платформе. «Мы надеемся, что наше исследование приблизит интеграцию компактных, КМОП-совместимых, перестраиваемых источников ультрафиолетового излучения на основе полупроводниковых преобразователей частоты в существующие технологии. Это может быть актуально в том числе для мобильных сенсорных устройств, таких как компактные лаборатории на чипе для устройств носимой электроники.»
Материал подготовлен в рамках проекта Наука-МГУ