Une équipe de physiciens de l'Université ITMO, MIPT, et l'Université du Texas à Austin ont développé une nanoantenne non conventionnelle qui diffuse la lumière dans une direction particulière en fonction de l'intensité du rayonnement incident. Les résultats de la recherche contribueront au développement d'un traitement optique flexible de l'information dans les systèmes de télécommunications.

Les photons, porteurs de rayonnement électromagnétique, n'ont ni masse ni charge électrique. Cela signifie que la lumière est relativement difficile à contrôler, contrairement à, par exemple, électrons, qui peut être contrôlé en appliquant un champ électrique constant. Cependant, des dispositifs tels que les nanoantennes permettent un certain contrôle sur la propagation des ondes électromagnétiques.

Un domaine qui nécessite la manipulation de la lumière "avancée" est le développement d'ordinateurs optiques. Dans ces appareils, l'information n'est pas portée par des électrons, mais par photons. L'utilisation de la lumière au lieu de particules chargées a le potentiel d'améliorer considérablement la vitesse de transmission et de traitement des informations. Faire de ces ordinateurs une réalité nécessite des nanoantennes spécifiques avec des caractéristiques qui peuvent être manipulées d'une manière ou d'une autre - en appliquant un champ électrique ou magnétique constant, par exemple, ou en faisant varier l'intensité de la lumière incidente.

Dans l'article publié dans Avis sur les lasers et la photonique , les chercheurs ont conçu une nouvelle nanoantenne non linéaire qui peut changer la direction de la diffusion de la lumière en fonction de l'intensité de l'onde incidente (Fig. 1). Au cœur de la nanoantenne proposée se trouvent des nanoparticules de silicium, qui génèrent un plasma d'électrons sous un rayonnement laser intense. Les auteurs ont précédemment démontré les possibilités d'utilisation de ces nanoparticules pour le contrôle non linéaire et ultrarapide de la lumière. Les chercheurs ont ensuite réussi à manipuler des portions de rayonnement lumineux diffusées vers l'avant et vers l'arrière. Maintenant, en changeant l'intensité de la lumière incidente, ils ont trouvé un moyen de faire tourner un faisceau lumineux diffusé dans la direction souhaitée.

Pour faire pivoter le diagramme de rayonnement de la nanoantenne, les auteurs ont utilisé le mécanisme d'excitation du plasma dans le silicium. La nanoantenne est un dimère, deux nanosphères de silicium de diamètres inégaux. Irradié avec un faisceau laser faible, cette antenne diffuse la lumière latéralement en raison de sa forme asymétrique (schéma bleu sur la figure 2A). Les diamètres des deux nanoparticules sont choisis de sorte qu'une particule résonne à la longueur d'onde de la lumière laser. Irradié avec une impulsion laser intense, un plasma d'électrons est généré dans la particule résonante, ce qui provoque des changements dans les propriétés optiques de la particule. L'autre particule reste non résonante, et le puissant champ laser a peu d'effet sur lui. En général, en choisissant avec précision la taille relative des deux particules en combinaison avec les paramètres du faisceau incident (durée et intensité), il est possible de rendre la taille des particules pratiquement la même, ce qui permet à l'antenne de faire rebondir le faisceau lumineux vers l'avant (schéma rouge sur la Fig. 2a).

"Les nanoantennes optiques existantes peuvent contrôler la lumière dans une plage assez large. Cependant, cette capacité est généralement intégrée dans leur géométrie et les matériaux qui les composent, il n'est donc pas possible de paramétrer ces caractéristiques à tout moment, " dit Denis Baranov, un étudiant de troisième cycle au MIPT et l'auteur principal de l'article. "Les propriétés de notre nanoantenne, cependant, peut être modifié dynamiquement. Quand on l'éclaire avec une faible impulsion laser, nous obtenons un résultat, mais avec une forte impulsion, le résultat est complètement différent."

Les scientifiques ont effectué une modélisation numérique du mécanisme de diffusion de la lumière, 2b. La simulation a montré que lorsque la nanoantenne est éclairée avec un faisceau laser faible, la lumière se diffuse latéralement. Cependant, l'éclairage de la nanoantenne avec une impulsion laser intense conduit à la génération de plasma d'électrons à l'intérieur du dispositif et le motif de diffusion tourne de 20 degrés (ligne rouge). Cela permet de dévier les impulsions incidentes faibles et fortes dans différentes directions.

Sergueï Makarov, un chercheur principal du département de nanophotonique et de métamatériaux de l'université ITMO a déclaré :"Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur le développement d'une puce optique nanométrique mesurant moins de 200×200×500 nanomètres. C'est beaucoup moins que la longueur d'onde d'un photon, qui porte l'information. Le nouveau dispositif nous permettra de changer la direction de propagation de la lumière à une vitesse bien meilleure par rapport aux analogues électroniques. Notre appareil sera capable de distribuer un signal dans deux canaux optiques dans un laps de temps très court, ce qui est extrêmement important pour les systèmes de télécommunications modernes."

Aujourd'hui, les informations sont transmises via des fibres optiques à des vitesses allant jusqu'à des centaines de Gbit/s. Cependant, même les appareils électroniques modernes traitent ces signaux assez lentement, à des débits de quelques Gbit/s seulement pour un seul élément. La nanoantenne optique non linéaire proposée peut résoudre ce problème, car il fonctionne à 250 Gbit/s. Cela ouvre la voie à un traitement ultrarapide des informations optiques. L'antenne non linéaire développée par les chercheurs offre plus de possibilités de contrôler la lumière à l'échelle nanométrique, ce qui était nécessaire pour développer avec succès des ordinateurs photoniques et d'autres dispositifs similaires.