Международен екип със силно българско участие е извършил важен технологичен пробив, който решава дългогодишен инженерен проблем. То представлява голям скок напред в посока изцяло оптични изчисления и свръхвисокоскоростни телекомуникации за данни.
Работа на колаборацията METAFAST е описана в статия, публикувана в Opto-Electronic Advances със заглавие "Ултрабърза изцяло оптична модулация на широколентови импулси, осигурена от силициеви метаповърхности". Изследването според ЕurekАlert! работата "преодолява бариерата на честотната лента при ултрабърза изцяло оптична модулация".
За да разберем защо това е пробив, а не просто поредната стъпка, е полезно да разгледаме физическия проблем, който решава.
Проблемите, които решава този технологичен пробив
Контролирането на светлината е от съществено значение за много съвременни технологии, от високоскоростен интернет до усъвършенствани изчислителни системи. Традиционно интензитетът на светлината се контролира с помощта на устройства, базирани на смущения, при които светлинните вълни се припокриват, за да създадат шарки от по-светли и по-тъмни области или т. нар. интерференция. Макар че са ефективни за единични цветове светлина, тези методи се затрудняват при работа с широколентова светлина, която съдържа много различни цветове. В такива случаи светлинните вълни бързо губят координираното си поведение, което прави конвенционалните техники по-малко ефективни. Съществуващите алтернативи, като например електрооптични превключватели, могат да обработват широколентова светлина, но често са обемисти, бавни и изискват сложна електроника. Накратко: Може да имате скорост/ефективност (теснолентов достъп) или да можете да обработвате кратки импулси (широколентов достъп), но никога и двете. Това спъва техните реални приложения, включващи широколентови сигнали.
Концепция за ултрабърза модулация на интензитета. (а) Модулация на предаване от метаповърхност, характеризираща се с резонанс с висок Q-фактор. Могат да се модулират само теснолентови спектрални сигнали. (b) Модулация чрез кинк-образна предавателна характеристика. Кинк-подобното предаване поддържа модулацията на широколентови спектрални сигнали. (c) Реалистичен спектър на предаване на резонанса, характеризиращ се с асиметричен кинк-подобен резонанс. Метаповърхността пропуска светлина при λ1, докато блокира светлината при λ2. (d) Когато кинк резонансът претърпи синьо oтместване, интензитетът на предаване при λ1 е значително намален, докато интензитетът на предаване при λ2 не е силно засегнат. Кредит: Dr. Dragomir Neshev from Australian National University, Australia. https://www.oejournal.org/oea/article/doi/10.29026/oea.2026.260007
За да се справят с тези предизвикателства, авторите от настоящото изследване използват метаповърхности - ултратънки слоеве, изработени от малки, внимателно проектирани структури, които могат да контролират светлината с висока прецизност. Тези структури взаимодействат със светлината по уникални начини, позволявайки на учените да я оформят и насочват в много малък мащаб. Освен това, метаповърхностите могат да реагират на външни стимули, което позволява активен контрол на светлината. Сред различните подходи, използването на самата светлина за контрол на светлината - известно като изцяло оптична модулация (превключване) - е особено привлекателно, защото може да работи изключително бързо.
Метаматерилът, който модулира светлината
В изследването си екипът, в който участват учени от Софийския университет и Центъра за био- и нанофотоника "Джон Атанасов", е представена нова стратегия в проектирането на метаматериала, която преодолява това ограничение.
Изследователите , сред които Калоян Георгиев, Антон Трифонов, Любен Петров, Стефан Георгиев, Христо Илиев, Иван Бъчваров и Драгомир Нешев, използват генетичен алгоритъм за проектиране на метаповърхност метаповърхност от силиций върху сапфир с уникален спектър на пропускане с "кинк-подобна" форма.
Схема на експеримента, където помпата възбужда метаповърхността преди пристигането на пробния импулс. Това причинява ултрабърза модулация в широк диапазон от цветове. Кредит: Dr. Dragomir Neshev from Australian National University, Australia. https://www.oejournal.org/oea/article/doi/10.29026/oea.2026.260007
Когато бъдат подложени с контролен лазер, свойствата на материала се променят леко, което кара светлинния спектър да се отмести към синьото. Тази структурна инженерия позволява на устройството да модулира невероятно широк спектър светлина (честотна лента от 49 nm) наведнъж, като същевременно остава достатъчно бързо, за да обработва импулси под 50 фемтосекунди.
Тези ултратънки устройства позволяват превключване на импулси под 50 фемтосекунди! 50 фемтосекунди (50 fs) е изключително кратък интервал от време - 50 × 10⁻¹⁵ секунди = 0,00000000000005 сек - или 1 фемтосекунда е спрямо 1 секунда същото, което е 1 секунда спрямо 32 милиона години. За сравнение светлината изминава разстояние от едва 15 микрометра (около размера на клетка в човешкото тяло) за 50 фемтосекунди.
Посоката на развитие
Тази технология би могла да играе роля и в бъдещите оптични или "светло-базирани" изчислителни системи. За разлика от конвенционалната електроника, която разчита на електрически токове, фотонните системи използват светлина за извършване на операции и потенциално могат да работят с много по-високи скорости с по-ниска консумация на енергия. Способността за управление на къси, широколентови светлинни импулси с висока прецизност е ключово изискване за такива системи. Компактните метаповърхности, които могат да бъдат интегрирани върху чипове, правят тази визия по-практична, като намаляват размера и сложността на оптичните компоненти.
Това постижение решително насочва фотонната индустрия към изцяло оптични архитектури, ("контролирани от светлината"), отдалечавайки се от хибридните електронно-фотонни системи
Съвременният интернет и компютри разчитат на електрооптични модулатори (преобразуващи електричество в светлина и обратно), което създава ограничение на скоростта и генерира топлина. Тази технология сочи към истински оптични транзистори и рутери – чипове, където светлината насочва и превключва друга светлина естествено със скоростта на физиката, без да разчита на бавни електронни компоненти.
Способността за бързо модулиране на светлината в широк диапазон от цветове е особено ценна за приложения като откриване и определяне на разстоянието до светлина (LiDAR), лазерно заключване на режима и оптични комуникации, където информацията се предава с помощта на бързо модулирани светлинни сигнали. Тъй като глобалното търсене на данни продължава да расте, водено от видео стрийминга, облачните изчисления и изкуствения интелект, има силна нужда от технологии, които могат да обработват и предават информация по-бързо и по-ефективно. Подходът, базиран на метаповърхности, демонстриран тук, предлага обещаващ път за посрещане на тези изисквания.
В перспектива, следващите стъпки в това изследване включват по-нататъшно подобряване на ефективността и скоростта на модулация, намаляване на енергийните изисквания и интегриране на тези метаповърхности в реални фотонни устройства и системи. Изследователите могат също така да проучат нови материали и дизайни за допълнително подобряване на производителността.
В дългосрочен план тези открития предполагат преминаване към по-гъвкави и мащабируеми оптични технологии. Чрез преодоляване на ключови ограничения в начина, по който се контролира светлината, тази работа помага да се проправи път за бъдещи системи, където светлината, а не електричеството, играе централна роля в комуникацията, изчисленията и обработката на информация.
Справка: Ultrafast all-optical modulation of wide-bandwidth pulses enabled by silicon-metasurfaces; Kaloyan Georgiev, Khosro Zangeneh Kamali, Anton A. Trifonov, Giulia Crotti, Lyuben Petrov, Stefan Georgiev, Hristo Iliev, Lei Xu, Unai Arregui Leon, Mohsen Rahmani, Giuseppe Della Valle, Ivan Buchvarov, Dragomir Neshev; Opto-Electronic Advances 2026; DOI: 10.29026/oea.2026.260007
Източник: Silicon metasurfaces unlock ultrafast modulation of wide-bandwidth optical pulses, ЕurekАlert
Още по темата
Технологии
Изкуствен интелект със скоростта на светлината? Вече е възможно
Физика
Квантови тайни на светлината: Светлите и тъмните състояния създават интерференчната картина
Физика
Учени откриват ново свойство на светлината, подобно на електроните на твърдите материали (видео)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Ще спре ли смъртта на момиче китайския възход в генното редактиране
dolivo
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Bai Tanas
Защо бамята е толкова слузеста?
БотоксПутю
В скална формация на Марс е открит органичен въглерод