На чтение: ≈ 8 мин.Команда специалистов Самарского университета, ИЯФ СО РАН и Новосибирского государственного университета занялась разработкой уникальной технологии плазмонной терагерцевой связи. Подробности проекта были опубликованы в научном издании Journal of Optics.
В основе новой технологии лежат свойства плазмон-поляритонов – взаимосвязанных колебаний электронов металла и электрического поля близ границы проводника и диэлектрика, способных одновременно вести себя и как частица, и как волна. Этот парадокс был описан еще в 1924 году французским физиком Луи де Бройлем. И тот факт, что частица материи в определенных ситуациях может вести себя как волна, а свет – как частица материи, все еще остается одной из самых интригующих загадок квантовой физики. А судя по всему, будущее информационной связи именно за квантами.
Впрочем, попытки совершить прорыв в области связи уже предпринимались. Несколько лет назад инженеры из Высшей технической школы Цюриха (Швейцария) разработали чип для сверхбыстрой передачи данных с помощью света. Хотя в принципе некоторые объекты способны передвигаться и со скоростью, даже превышающей скорость света, их нельзя использовать для переноса информации. Скажем, солнечный зайчик может двигаться по стене со сверхсветовой скоростью, но, если вы попытаетесь при его помощи с такой же скоростью перенести информацию от одной точки стены к другой, вам это никак не удастся.
Устройство, разработанное швейцарскими учеными, способно конвертировать электрические сигналы в сверхбыстрые световые, при этом сохраняя качество сигнала. Эта технология пригодится для улучшения инфраструктур связи, работающих с использованием оптоволоконных сетей, например для высокоскоростного Интернета, телевидения и стриминга. Однако на сегодняшний день пропускная способность этих сетей составляет всего 10^9 бит в секунду, а возрастающие нагрузки требуют в самом ближайшем будущем ее увеличения до 10^12 бит в секунду.
Авторам разработки впервые удалось объединить электронные и «световые» элементы на одной платформе. Ранее требовалось размещать элементы системы на разных чипах, которые затем соединялись проводами. Это требовало больших затрат и снижало производительность при преобразовании электрических сигналов в световые, то есть ограничивало скорость передачи данных.
Для объединения компонентов на одном чипе специалисты использовали плазмонику. Эта технология основывается на физическом явлении, называемом плазмоном. Последний представляет собой квазичастицу на поверхности материала, состоящую из облака свободных электронов, колеблющихся с частотой, близкой к частоте колебаний светового излучения. При этом частота его колебаний определяется характером поверхности материала, на которой создается плазмон, и от этого зависят оптические свойства поверхности. Благодаря компактности новых чипов исследователи получили возможность изготовить монолитные микросхемы, включающие в себя и фотонный, и электронный слои. Для преобразования электрических сигналов в оптические в фотонный слой встроен модулятор интенсивности плазмы. Основанием ему служат металлические конструкции, задача которых направлять световые потоки для достижения высоких скоростей передачи данных. На базе чипа четыре входных сигнала объединяются и усиливаются, образуя на выходе высокоскоростной электрический сигнал. Во время предварительного тестирования была зафиксирована скорость передачи данных, равная 100 гигабит в секунду.
Разработка российских исследователей также связана со свойствами квазичастиц и плазмоники. Но тут все выглядит еще круче.
Итак, поляритоны могут распространяться вдоль поверхности цилиндрического проводника, вращаясь с различной скоростью и в различных направлениях. Хотя плазмон-поляритоны сами по себе известны достаточно давно, но до настоящего времени никто не исследовал их в терагерцевом диапазоне. Если говорить о фундаментальных свойствах, то скорость распространения поверхностных плазмон-поляритонов близка к скорости света. Они играют важную роль в различных видах взаимодействия электромагнитного излучения с поверхностью. В прикладном смысле это позволяет применять их для разработки методов диагностики материалов, а также создания биологических и оптических сенсоров.
Еще одна сфера применения – это анализ органических веществ. Именно в терагерцевом диапазоне наблюдаются многочисленные собственные колебания макромолекул, таких как протеины или ДНК.
Российские ученые построили терагерцевый лазер. Кремниевые элементы для создания закрученных пучков излучения были изготовлены в Самарском университете.
Экспериментальные исследования проводились на Новосибирском лазере на свободных электронах, расположенном в Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН. Исследователям удалось экспериментально доказать, что поверхностные плазмон-поляритоны, находящиеся в процессе вращения, способны сохранять индивидуальные орбитальные угловые моменты при движении вдоль проводника. Это свойство, полагают авторы исследования, можно использовать для одновременной передачи сигналов по разным каналам, что может произвести настоящую революцию в телекоммуникационной сфере. Таким образом будет создана многоканальная линия связи, позволяющая на единой частоте распространять сразу несколько сигналов, причем с околосветовой скоростью.
«Мы предложили формировать закрученные плазмон-поляритоны, направляя на торец металлического цилиндра закрученные пучки излучения терагерцового лазера, – прокомментировал заведующий кафедрой наноинженерии Самарского университета Владимир Павельев. – Благодаря свойствам вращающихся плазмон-поляритонов несколько сигналов можно будет передавать вдоль проводника на одной частоте».
Так что в будущем должны появиться принципиально новые системы связи, причем сделанные в России, что, конечно, весьма воодушевляет в эпоху санкций…
Ида ШАХОВСКАЯ
Выбор читателей
Комментарии