Микроскопическая схема на основе кремния, способная усиливать без искажений оптический сигнал вдвое, может в будущем послужить элементом скоростных маршрутизаторов и ретрансляторов в оптических системах связи, а также деталью квантовых компьютеров и различных логических схем, оперирующих фотонами вместо электронов.
Это оригинальное устройство создали Александр Гаэта (Alexander Gaeta), Мичел Липсон (Michal Lipson) и их коллеги из университета Корнелла (Cornell University).
Принцип, применённый в этом усилителе, называется «смешивание с четырьмя волнами». Заключается он в том, что на вход устройства, в общий волновод, подаётся целевой оптический сигнал (смотрите схему на рисунке в заголовке; 1, а также — синие стрелки), который требуется усилить (именно он несёт информацию) и второй луч — так называемый «луч накачки» (2, а также зелёные стрелки), несколько отличающийся от луча сигнала по частоте.
В волноводе прямоугольного сечения (3), поперечные размеры которого сопоставимы с длиной волн сигнала и накачки, и рассчитаны очень точно, происходит обмен энергией между входными лучами.
В результате каждые два фотона из луча накачки преобразуются в один фотон с длиной волны сигнала и один фотон с длиной волны, равной удвоенной длине волны накачки минус длина волны сигнала.
Первый фотон присоединяется к оригинальному потоку сигнала, удваивая его мощность (4), а второй, по идее, больше не нужен. Он так и называется — «холостой» (5, красные стрелки). Однако этот неиспользуемый поток фотонов оказывается точной копией исходного сигнала, но на другой частоте, и, таким образом, его также можно задействовать, например, для передачи информации в другую сеть с отличной длиной рабочей волны.
Учёные из Корнелла долго экспериментировали с параметрами волновода, проложенного в толще пластины из диоксида кремния. В результате они подобрали его сечение: 300 х 550 нанометров (любопытно, что при чуть большем или меньшем поперечном сечении процесс смешивания с четырьмя волнами вообще не шёл).
При этом оказалось, что усилитель обладает широкополосной (для оптического устройства такого типа) характеристикой — он отлично справляется с сигналом, передаваемым на частотах от 1512 до 1535 нанометров, а это, к слову, частоты (инфракрасный диапазон), используемые в оптических каналах связи.
При некотором увеличении длины волновода авторы даже расширили диапазон усиливаемых устройством частот до границ 1525-1540 нанометров.
Также очень важным своим достижением авторы данного устройства считают его изготовление на базе кремния, методами, аналогичными технологиям электронной промышленности. Это открывает возможность интеграции оптических и электронных логических цепей непосредственно в одной микросхеме.
Читайте о нановолноводах, предвещающих фотонный Интернет, и рекордном терагерцевом оптическом модуляторе.
