Souhrn
Výzkumníci demonstrovali všeoptickou modulaci indexu lomu v křemíku pomocí řídicího svazku s intenzitou na úrovni jednotlivých fotonů. Klíčovým mechanismem je elektronová lavina, která umožňuje dosáhnout extrémně vysokého nelineárního indexu lomu, několik řádů vyššího než u běžných nelineárních materiálů.
Klíčové body
- Demonstrace všeoptické modulace řízené jednotlivými fotony v křemíkové fotonice.
- Využití elektronové laviny pro zvýšení optické nelinearity.
- Naměřený nelineární index lomu n₂ ≈ 1,3 × 10⁻² m²/W – o několik řádů vyšší než u tradičních materiálů.
- Možnost gigahertzového optického přepínání za pokojové teploty.
- Potenciál pro integraci do čipových fotonických a kvantových zařízení.
Podrobnosti
Tradiční optické modulátory vyžadují relativně vysoké výkony, protože běžné materiály mají velmi slabé nelineární optické vlastnosti. Tento problém brání efektivnímu řízení světla světlem na úrovni jednotlivých fotonů – klíčového požadavku pro kvantové komunikační systémy a ultraúsporné optické počítače. V novém přístupu výzkumníci využili jev známý jako elektronová lavina v křemíku: jediný foton vyvolá generaci volných nosičů náboje, která se následně lavinovitě rozmnoží a způsobí lokální změnu indexu lomu. Tato změna pak ovlivňuje průchod „sondovacího“ optického svazku, čímž dochází k modulaci signálu.
Experimentálně byl dosažen nelineární index lomu n₂ ≈ 1,3 × 10⁻² m²/W, což je až 10⁶krát vyšší než u běžných nelineárních materiálů jako je například křemenné sklo. Díky tomu lze dosáhnout rychlého optického přepínání v gigahertzovém pásmu i při pokojové teplotě, což je významná výhoda oproti mnoha kvantovým technologiím vyžadujícím kryogenní podmínky.
Proč je to důležité
Tento objev otevírá cestu k praktické integraci jednofotonových řídicích prvků do standardních křemíkových fotonických čipů. To může vést k vývoji ultraúsporných optických spínačů pro klasické i kvantové informační systémy, zejména v oblasti on-chip optického zpracování signálu a kvantové komunikace. Navíc přístup funguje za běžných laboratorních podmínek, což zvyšuje jeho potenciál pro komerční využití v porovnání s jinými kvantovými technologiemi.
Zdroj: 📰 Nature.com