Исследователи из Пенсильванского университета разработали систему на основе нанопроводов, которая могла бы проложить путь к этой способности, объединив две световые волны для получения третьей с другой частотой и используя оптический резонатор для усиления интенсивности выходного сигнала до приемлемого уровня.
Исследование проводили Ритеш Агарвал, профессор материаловедения и инженерии Школы инженерии и прикладных наук Пенна, и Минг-Лян Жэнь, научный сотрудник своей лаборатории. Другие сотрудники лаборатории Агарвала, Вэньцзин Лю, Карлос О. Аспетти и Ляоксин Сан внесли свой вклад в исследование.
Он был опубликован в Nature Communications.
Современные компьютерные системы представляют биты информации – единицы и нули двоичного кода – с помощью электричества.
Элементы схемы, такие как транзисторы, работают с этими электрическими сигналами, производя выходные данные, которые зависят от их входов.
«Смешивание двух входных сигналов для получения нового выхода является основой вычислений», – сказал Агарвал. "Это легко сделать с электрическими сигналами, но непросто сделать со светом, поскольку световые волны обычно не взаимодействуют друг с другом."
Сложность, присущая «смешиванию» света, может показаться нелогичной, учитывая цветовую гамму на экране телевизора или компьютера, которая создается исключительно комбинацией красных, зеленых и синих пикселей. Однако желтые, оранжевые и пурпурные цвета этих дисплеев являются уловкой восприятия, а не физики.
Красный и синий свет просто воспринимаются одновременно, а не объединяются в одну фиолетовую длину волны.
Так называемые «нелинейные» материалы способны к такому смешиванию, но даже лучшие кандидаты в этой категории еще не подходят для вычислительных приложений из-за ограничений высокой мощности и большого объема.
«Нелинейный материал, такой как сульфид кадмия, может изменять частоту и, следовательно, цвет проходящего через него света, – сказал Рен, – но вам нужен мощный лазер, и даже в этом случае материал должен быть многие микрометры и даже толщиной до миллиметров.
Это не работает для компьютерного чипа."
Чтобы уменьшить объем материала и мощность света, необходимую для смешивания полезного сигнала, исследователям нужен был способ усиления интенсивности световой волны, проходящей через нанопроволоку из сульфида кадмия.
Исследователи достигли этого с помощью хитроумной оптической инженерии: частично обернули нанопроволоку в серебряную оболочку, которая действует как эхо-камера. Группа Агарвала раньше использовала подобную конструкцию, пытаясь создать фотонные устройства, которые могли бы включаться и выключаться очень быстро. Это качество основано на явлении, известном как поверхностный плазмонный резонанс, но, изменив поляризацию света, когда он входит в нанопроволоку, исследователи смогли лучше ограничить его изменяющей частоту нелинейной частью устройства: сердцевиной нанопроволоки.
«Спроектировав структуру таким образом, чтобы свет в основном содержался внутри сульфида кадмия, а не на границе раздела между ним и серебряной оболочкой, мы можем максимизировать интенсивность при генерации второй гармоники», – сказал Рен.
Подобно второй гармонике, сыгранной на гитарной струне, это означало удвоение частоты световой волны. Информация в фотонной компьютерной системе может быть закодирована в частоте волны или в количестве колебаний, которые она совершает за секунду. Возможность манипулировать этим качеством в одной волне с помощью другой позволяет заложить основы компьютерной логики.
«Мы хотим показать, что можем суммировать две частоты света, – сказал Агарвал, – поэтому мы упростили эксперимент. Если взять одну частоту и добавить ее к самой себе, в итоге вы получите удвоенную частоту.
В конечном итоге мы хотим иметь возможность настраивать свет на любую необходимую частоту, что можно сделать, изменив размер нанопроволоки и оболочки."
Однако наиболее важным было то, что это частотное смешение было возможно на наномасштабе с очень высокой эффективностью.
Оптический резонатор исследователей смог увеличить интенсивность выходной волны более чем в тысячу раз.
«Эффективность изменения частоты сульфида кадмия присуща материалу, но она зависит от объема материала, через который проходит волна», – сказал Агарвал. «Добавив серебряную оболочку, мы можем значительно уменьшить громкость, необходимую для получения полезного сигнала, и увеличить размер устройства до наноуровня."
Исследование поддержано U.S. Управление армейских исследований, Национальные институты здравоохранения и Управление научных исследований ВВС США.