Souhrn
Výzkumníci demonstrovali nový způsob úplně optické modulace světla, při němž je možné ovládat optický signál pomocí jednotlivých fotonů. Klíčovým mechanismem je elektronová lavina v křemíku, která umožňuje dosáhnout extrémně vysoké optické nelinearity – až o několik řádů vyšší než u běžných materiálů. Tento přístup otevírá cestu k rychlému optickému přepínání na čipu při pokojové teplotě.
Klíčové body
- Modulace světla je řízena jednotlivými fotony, což je dosud vzácné v klasické i kvantové fotonice.
- Využitý jev elektronové laviny v křemíku vede k nelineárnímu indexu lomu (n_2 \approx 1{,}3 \times 10^{-2}\,\text{m}^2\,\text{W}^{-1}), což je řádově lepší než u známých nelineárních materiálů.
- Technologie funguje při pokojové teplotě a je kompatibilní se stávající křemíkovou fotonikou.
- Potenciál pro přepínání v gigahertzovém pásmu a výše, což je relevantní pro optické počítače i kvantové sítě.
Podrobnosti
Tradiční optické modulátory vyžadují relativně silné řídící signály, protože většina materiálů má slabou optickou nelinearitu. To brání efektivnímu ovládání světla světlem na úrovni jednotlivých fotonů – což je klíčové pro kvantové komunikační systémy i energeticky úsporné optické procesory. V tomto výzkumu autoři využili tzv. elektronovou lavinu v křemíkových vlnovodech: když jednotlivý foton vyvolá vnitřní fotoefekt, uvolněný elektron je urychlen elektrickým polem a následně ionizuje další atomy, čímž vznikne lavinový nárůst nosičů náboje. Tento proces dramaticky mění index lomu materiálu, což umožňuje modulovat druhý, tzv. “sondovací” optický paprsek.
Experimentálně bylo dosaženo nelineárního indexu lomu (n_2) přibližně (1{,}3 \times 10^{-2}\,\text{m}^2\,\text{W}^{-1}), což je o 5–7 řádů vyšší než u běžných materiálů jako je křemík nebo chalcogenidová skla. Díky tomu lze dosáhnout významné modulace i při intenzitách odpovídajících jednotlivým fotonům. Systém navíc funguje při pokojové teplotě a je kompatibilní s CMOS technologiemi, což usnadňuje integraci do stávajících fotonických čipů.
Proč je to důležité
Tento přístup překonává dlouhodobé omezení slabé optické nelinearity a umožňuje efektivní interakci mezi jednotlivými fotony – což je zásadní pro budoucí kvantové sítě, kde je třeba provádět logické operace na kvantových stavech světla. Zároveň otevírá možnosti pro ultraúsporné optické přepínače v klasických výpočetních systémech, kde by mohly nahradit elektronické tranzistory v některých částech datových center. I když se jedná o laboratorní demonstraci, její kompatibilita s křemíkovou fotonikou zvyšuje šance na praktické nasazení v blízké budoucnosti.
Zdroj: 📰 Nature.com
| 