Цивилизация
Графен, эта углеродная сеточка толщиной в один атом, в очередной раз умудрился удивить ученых своими необыкновенными свойствами — на этот раз оптическими. Исследователи Колумбийского университета (штат Нью-Йорк, США) совместно с коллегами из Института микроэлектроники в Сингапуре наложили графеновую пленку на кремниевый фотонный кристалл и обнаружили, что в этом случае графен нелинейно реагирует на слабый оптический сигнал генерацией СВЧ-фотонов намного более высокой амплитуды.
Иными словами, они получили нечто вроде фотонного транзистора, где свет управляет светом.
Фотонный кристалл и сам по себе не слишком обычен: грубо говоря, это оптический фильтр, прозрачный для одних световых волн и отражающий другие. Это разноцветные крылья бабочки, перламутровое покрытие морских раковин, это удивительный блеск опала, а для физики это некий оптический аналог электронному полупроводнику — и там, и там существует понятие запрещенной зоны. И подобно тому, как соединение двух полупроводников порождает электронный транзистор, соединение графена с фотонным кристаллом привело к созданию подобного же устройства, где электроны заменены фотонами.<3>
Устройства, способного очень быстро генерировать надежно различимые оптические ноль и единичку — то есть именно то, что необходимо при передаче и обработке информации.
«Нам удалось продемонстрировать и объяснить сильный нелинейный ответ графена, ключевого элемента в этом новом гибридном приборе, — говорит один из авторов исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics, Тиньги Гу. — Графен-кремниевый гибридный фотонный чип — это важный шаг к созданию новых, полностью оптических элементов более быстрой, более эффективной телекоммуникации».
Исследуя свойства своего гибридного чипа, ученые также обнаружили, что, пропуская через него лазерный луч и управляя его тепловым и электронным ответом, они могут модулировать яркость и цвет этого луча на радиочастотах, причем так называемый Q-фактор (отношение частотного диапазона к частоте несущей волны) в 50 раз меньше того, что раньше удавалось добиться для кремния.
Ученые также обнаружили еще один эффект, который для оптической передачи информации вообще-то считается вредным, так называемое четырехволновое смешивание, при котором волны, распространяясь вместе в одной среде (скажем, по оптоволокну), начинают взаимодействовать между собой и порождают еще две волны, с другими частотами и направлениями.
Однако смешивание, которое обнаружила команда исследователей, происходило в кремниевых нанополостях и скорее обрадовало, чем огорчило исследователей.
«Через нелинейное смешивание двух электромагнитных полей, — говорит профессор Колумбийского университета Чээ Вэй Вон, возглавляющий это исследование, — мы получили две новые оптические частоты при низких рабочих энергиях (речь идет о фемтоджоулях. – примечание «Газеты.Ru»), уменьшив энергетические затраты на бит информации. Это позволяет создавать плотно упакованные фотонные схемы для полностью оптической обработки информации».
Коллеги ученых, опубликовавших статью, к их работе отнеслись с большим воодушевлением, назвав ее новой коммуникационной парадигмой сверхнизкой мощности, открывающей путь к целому спектру новых оптоэлектронных приборов, таких как сверхбыстрые чипы для высокоскоростной оптической связи.