Физики назвали спонтанный шум главной проблемой плазмонных волноводов

Изображение: Пресс-служба МФТИ

Команда ученых из МФТИ разработала теорию, описывающую распространение поверхностных плазмонов в активных волноводах произвольной формы. Согласно новым расчетам, затухание сигнала в таких устройствах не является ключевой проблемой, как считалось ранее, однако появление шумов, свойственных любым устройствам с активным усилением, может стать серьезным препятствием для практического применения подобных систем. Исследование опубликовано в Physical Review Applied.

Поверхностные плазмоны — это квазичастицы, соответствующие колебаниям электронов на поверхности некоторых материалов, например, металлов. Они могут возникать в результате поглощения оптического излучения и таким образом использоваться в качестве носителей сигнала вместо фотонов. Поскольку характерные размеры плазмонов значительно меньше, чем длина волны возбуждающего излучения, на их основе можно создавать миниатюрные волноводы, работающие аналогично дорожкам в микроэлектронике. При этом скорость передачи информации в таких устройствах может достигать 10 гигабит в секунду — почти в 500 раз быстрее, чем по медным дорожкам.

Проблемой волноводов на основе плазмонов остается затухание сигнала на пути от источника к приемнику, поэтому для поддержания интенсивности на исходном уровне в активных волноводах используется усиление за счет среды. В этих системах материал волновода получает дополнительную энергию, например, электрическую, и «накачивает» ее в плазмон. Из-за сложного устройства таких систем, их удавалось описать только для случаев простейшей геометрии, что не позволяло учитывать все необходимые эффекты, возникающие в экспериментальных работах.

Авторы новой статьи создали теорию, позволяющую численно описать распространение плазмона по волноводу заданной формы и размера, использующему различные виды активной среды для усиления: полупроводники, квантовые колодцы, красители, редкоземельные элементы и другие. Основной целью расчетов был поиск ответа на следующий вопрос: как спонтанное излучение, неизбежно возникающее в активной среде при накачивании ее энергией, повлияет на характеристики волновода?

Оказалось, что спонтанное излучение в зависимости от мощности усиления будет приводить к развитию широкого спектра шумов. Ранее полагалось, что в таких системах ограничивающим фактором будет затухание сигнала, однако, согласно новым данным, интенсивность передаваемого плазмона можно поддерживать вообще без затухания, но возникающие при этом шумы могут полностью перекрыть исходный сигнал, делая такое устройство бесполезным с точки зрения передачи информации.

По словам авторов, новая теория подходит не только для плазмонных волноводов, но и для любых других оптических усилителей. По рассчитанным данным можно точно оценить уровень шумов в таких устройствах, а значит — узнать верхний порог для характеристик создаваемых устройств, при котором еще возможна передача информации. Например, для волновода размером 200 на 200 нанометров сигнал можно передать на расстояние в пять миллиметров, что вполне достаточно для микроэлектронных систем. При этом теоретически достижимая скорость в 10 гигабит в секунду на один канал обеспечит таким устройствам быстродействие, на несколько порядков опережающее традиционные современные аналоги.

Тарас Молотилин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.