Работа, проводимая почти четыре года, открывает принципиально новое направление в фотонике с далеко идущими потенциальными последствиями для контроля фотонов в каналах оптоволокна.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего построили первый фотонный переключатель на 500 гигагерц (ГГц). «Наш переключатель более чем на порядок быстрее, чем какой-либо из ранее изобретенных, — сказал профессор электронной и вычислительной техники Стоян Радик. — Он превышает скорость самых быстрых информационных каналов, используемых сегодня».
Переключение фотонов на таких высоких скоростях стало возможным благодаря достижениям в контроле над сильным оптическим лучом, используя только несколько фотонов, и способностью ученых спроектировать само оптоволокно с точностью до молекулярного уровня.
Радик и его коллеги утверждают, что сверхбыстрый оптический контроль имеет решающее значение, когда необходимо управлять светом за рамками обычных электронных границ. Дополнительно последняя работа открывает путь к новому классу чувствительных приемников (также способных работать при очень высоких скоростях), более быстрых фотонных датчиков и оптических устройств обработки.
Чтобы построить новый переключатель, ученые разработали новую методику измерения, способную создавать субнанометровые колебания в сердцевине волокна. Это было важно, потому что местная дисперсия волокна существенно меняется даже с небольшими колебаниями.
В своем исследовании инженеры Лаборатории фотонных систем показали, что быстрое управление становится возможным в волокнах, изготовленных из кварцевого стекла. «Кварцевое волокно представляет собой почти идеальную физическую платформу из-за очень низких оптических потерь и исключительной прозрачности, — отметил Радик. — Мы показали, что ядром кварцевого волокна можно управлять с субнанометровой точностью и использовать для быстрого контроля небольшого количества фотонов».
Управлять сильным оптическим лучом нелегко. Отступая от традиционных подходов, которые полагаются на высокорезонансные физические процессы или оптические резонаторы для непосредственного управления оптическим лучом, команда Калифорнийского университета использует специально разработанные нелинейные волокна, производящие импульсы, необходимые для экспериментов. Для разработки нового переключателя, они должны были выдвинуть новую теорию для описания взаимодействия между фотонами в сердцевине волокна, контролируемого на молекулярном уровне. Также команда разработала новую методику измерений.
Волокна могут выглядеть идентичными с обычными измерительными приборами и даже обладать такой же стандартной вариацией ядра, но они могут предложить значительно разные характеристики переключения. Это связано прежде всего с повышенной чувствительностью к основным колебаниям.
Ученые придумали способ измерения длины волокон, не нарушая их. «Мы измерили километры образцов волокна и записал основные изменения», — сказал Никола Алик, научный сотрудник Лаборатории фотонных систем.
После измерения волокна исследователи смогли создать «нанобиблиотеку подписи». Оттуда они определили основные специфические колебания, которые будут соответствовать максимальному истощению фотонного насоса.
Чтобы в полной мере воспользоваться переключением фотонов, необходим новый класс волокон, в которых колебания стохастических (случайным образом определяемых) дисперсий могут быть сведены к минимуму. Командой Калифорнийского университета уже спроектирован первый прототип волокна для этой цели.