Поляритоника - Polaritonics

Рисунок 1 : Поляритоника может устранить несоответствие между электроникой, которая страдает технологическими и физическими барьерами на пути к увеличению скорости, и фотоникой, которая требует интеграции источника света и направляющих структур с потерями. Другие квазичастицы / коллективные возбуждения , такие как магнон -polaritons и экситон -polaritons, их расположение определенно выше, может быть годным для использования таким же образом , что фонон-поляритоны бы для polaritonics.

Поляритоника - это промежуточный режим между фотоникой и суб-микроволновой электроникой (см. Рис. 1). В этом режиме сигналы переносятся смесью электромагнитных и колебательных волн решетки, известных как фонон- поляритоны , а не токами или фотонами . Поскольку фонон-поляритоны распространяются с частотами в диапазоне от сотен гигагерц до нескольких терагерц , поляритоника ликвидирует разрыв между электроникой и фотоникой. Убедительной мотивацией для поляритоники является потребность в высокоскоростной обработке сигналов, а также в линейной и нелинейной терагерцовой спектроскопии . Поляритоника имеет явные преимущества перед электроникой, фотоникой и традиционной терагерцовой спектроскопией в том, что она предлагает потенциал для полностью интегрированной платформы, которая поддерживает генерацию терагерцовых волн, управление, манипулирование и считывание в едином структурированном материале.

Поляритоника, как электроника и фотоника, требует трех элементов: надежной генерации сигналов, обнаружения и управления и контроля. Без всех трех поляритоника была бы сведена только к фонон-поляритонам, точно так же, как электроника и фотоника были бы сведены только к электромагнитному излучению. Эти три элемента могут быть объединены для обеспечения функциональности устройства, аналогичной функциям в электронике и фотонике.

Иллюстрация

Рисунок 2 : Причудливое изображение поляритонной схемы, иллюстрирующее полностью интегрированную генерацию терагерцовых волн, управление, манипуляции и считывание в едином структурированном материале. Фонон-поляритоны генерируются в верхнем левом и нижнем правом углах путем фокусировки фемтосекундных импульсов оптического возбуждения в кристалл вблизи входов в волновод. Фонон-поляритоны распространяются латерально от области возбуждения в волноводы. Обработке сигналов и функциональности схемы способствуют резонансные полости, отражатели, фокусирующие элементы, связанные волноводы, делители, сумматоры, интерферометры и структуры с фотонной запрещенной зоной, создаваемые фрезерованием каналов, которые полностью проходят по всей толщине кристалла.

Чтобы проиллюстрировать функциональность поляритонных устройств, рассмотрим гипотетическую схему на рис. 2 (справа). Импульсы оптического возбуждения, которые генерируют фонон-поляритоны, в верхнем левом и нижнем правом углу кристалла, поступают перпендикулярно поверхности кристалла (на странице). Образовавшиеся фонон-поляритоны будут перемещаться в боковом направлении от областей возбуждения. Вход в волноводы облегчают отражающие и фокусирующие конструкции. Фонон-поляритоны проходят по цепи терагерцовыми волноводами, вырезанными в кристалле. Функциональность схемы заключается в структуре интерферометра вверху и структуре связанных волноводов внизу схемы. Последний использует фотонную запрещенную структуру с дефектом (желтый), который может обеспечить бистабильность связанного волновода.

Генерация формы волны

Фонон-поляритоны, генерируемые в сегнетоэлектрических кристаллах, распространяются почти латерально по отношению к импульсу возбуждения из-за высоких диэлектрических постоянных сегнетоэлектрических кристаллов, что облегчает отделение фонон-поляритонов от генерирующих их импульсов возбуждения. Таким образом, фонон-поляритоны доступны для прямого наблюдения, а также для когерентной манипуляции по мере их перемещения из области возбуждения в другие части кристалла. Боковое распространение имеет первостепенное значение для поляритонной платформы, в которой генерация и распространение происходят в монокристалле. Полное рассмотрение отклика терагерцовой волны, подобного черенковскому излучению, показывает, что в целом существует также компонент прямого распространения, который необходимо учитывать во многих случаях.

Обнаружение сигнала

Прямое наблюдение за распространением фонон-поляритонов стало возможным благодаря построению изображений в реальном пространстве, при котором пространственные и временные профили фонон-поляритонов отображаются на CCD-камеру с использованием преобразования фазы в амплитуду Тальбота. Это само по себе было выдающимся прорывом. Это был первый случай, когда электромагнитные волны были визуализированы напрямую, они выглядели так же, как рябь в пруду, когда камень проваливается через поверхность воды (см. Рис. 3). Получение изображений в реальном пространстве является предпочтительным методом обнаружения в поляритонике, хотя другие более традиционные методы, такие как оптическое керр-стробирование, дифракция с временным разрешением , интерферометрическое зондирование и генерация второй гармоники, индуцированной терагерцовым полем , полезны в некоторых приложениях, где формирование изображений в реальном пространстве невозможно легко трудоустроен. Например, узорчатые материалы с размерами элементов порядка нескольких десятков микрометров вызывают паразитное рассеяние света изображения. В этом случае обнаружение фонон-поляритонов возможно только путем фокусировки более обычного зонда, подобного упомянутым ранее, в безупречную область кристалла.

Рисунок 3 : Кадры из фононно-поляритонного фильма генерации и распространения широкополосных фонон-поляритонов в ниобате лития, полученные с помощью визуализации в реальном пространстве. На первом кадре показаны исходные фонон-поляритоны во время генерации. Сразу после этого волновые пакеты уходят от области возбуждения в обоих направлениях. Второй кадр, сделанный через 30 пс после генерации, показывает два фонон-поляритона, движущихся вправо. Первый (слева) - это отражение исходного левого волнового пакета, а другой изначально шел вправо.

Руководство и контроль

Последний элемент, необходимый для поляритоники, - это наведение и контроль. Полное поперечное распространение, параллельное плоскости кристалла, достигается за счет генерации фонон-поляритонов в кристаллах толщиной порядка длины волны фонон-поляритонов. Это вынуждает распространение иметь место в одной или нескольких доступных модах пластинчатого волновода. Однако дисперсия в этих модах может радикально отличаться от дисперсии при объемном распространении, и для того, чтобы ею воспользоваться, необходимо понимать дисперсию.

Контроль и управление распространением фонон-поляритонов также может быть достигнуто с помощью волноводных, отражающих, дифракционных и диспергирующих элементов, а также фотонных кристаллов и кристаллов с эффективным показателем преломления, которые можно интегрировать непосредственно в основной кристалл. Тем не менее, ниобат лития , танталат лития и другие перовскиты непроницаемы для стандартных методов материального паттерна. Фактически, единственный травитель, который, как известно, даже незначительно успешен, - это фтористоводородная кислота (HF), которая травит медленно и преимущественно в направлении оптической оси кристалла.

Лазерная микрообработка

Фемтосекундный лазер микрообработка используется для изготовления устройства с помощью отверстий и / или впадин фрезерных «воздуха» в сегнетоэлектрические кристаллы, направляя их через фокус области фемтосекундного лазерного луча. . Преимущества фемтосекундной лазерной микрообработки для широкого спектра материалов были хорошо задокументированы. Короче говоря, свободные электроны создаются в фокусе луча за счет многофотонного возбуждения . Поскольку пиковая интенсивность фемтосекундного лазерного импульса на много порядков выше, чем у более длинных импульсных или непрерывных лазеров, электроны быстро возбуждаются, нагреваются, образуя квантовую плазму . В частности, в диэлектрических материалах индуцированная плазмой электростатическая нестабильность остальных ионов решетки приводит к выбросу этих ионов и, следовательно, к абляции материала, оставляя материал пустым в области фокуса лазера. Кроме того, поскольку длительность импульса и масштабы времени абляции намного быстрее, чем время термализации , фемтосекундная лазерная микрообработка не страдает от неблагоприятных эффектов зоны термического влияния, таких как растрескивание и плавление в областях, соседних с предполагаемой областью повреждения.

Смотрите также

Внешние ссылки

  • Feurer, T .; Стоянов, Николай С .; Уорд, Дэвид В .; Vaughan, Joshua C .; Statz, Eric R .; Нельсон, Кейт А. (2007). «Терагерцовая поляритоника». Ежегодный обзор исследований материалов . Ежегодные обзоры . 37 (1): 317–350. Bibcode : 2007AnRMS..37..317F . DOI : 10.1146 / annurev.matsci.37.052506.084327 . ISSN   1531-7331 . S2CID   33353438 .
  • Уорд, DW; Statz, ER; Нельсон, КА (07.10.2006). «Изготовление поляритонных структур в LiNbO 3 и LiTaO 3 с использованием фемтосекундной лазерной обработки». Прикладная физика . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 86 (1): 49–54. DOI : 10.1007 / s00339-006-3721-у . ISSN   0947-8396 . S2CID   96281166 .
  • Дэвид Уорд: Поляритоника: промежуточный режим между электроникой и фотоникой , доктор философии. Диссертация, Массачусетский технологический институт, 2005 г. Это основная ссылка для данной статьи.
  • Уорд, Дэвид В .; Statz, Eric R .; Нельсон, Кейт А.; Рот, Райан М .; Осгуд, Ричард М. (10 января 2005 г.). «Генерация и распространение терагерцовых волн в тонкопленочном ниобате лития, полученном методом разрезания иона кристаллов». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 86 (2): 022908. Bibcode : 2005ApPhL..86b2908W . DOI : 10.1063 / 1.1850185 . ISSN   0003-6951 .
  • Уорд, Дэвид В .; Beers, Jaime D .; Feurer, T .; Statz, Eric R .; Стоянов, Николай С .; Нельсон, Кейт А. (2004-11-15). «Когерентное управление фонон-поляритонами в терагерцовом резонаторе, изготовленном с помощью фемтосекундной лазерной обработки». Письма об оптике . Оптическое общество. 29 (22): 2671–3. Bibcode : 2004OptL ... 29.2671W . DOI : 10.1364 / ol.29.002671 . ISSN   0146-9592 . PMID   15552680 .
  • Feurer, T .; Vaughan, Joshua C .; Нельсон, Кейт А. (17 января 2003 г.). «Пространственно-временное когерентное управление колебательными волнами решетки». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 299 (5605): 374–377. Bibcode : 2003Sci ... 299..374F . DOI : 10.1126 / science.1078726 . ISSN   0036-8075 . PMID   12532012 . S2CID   19627306 .
  • Стоянов, Николай С .; Feurer, T .; Уорд, Дэвид В .; Нельсон, Кейт А. (2003-02-03). «Интегрированные дифракционные терагерцовые элементы». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 82 (5): 674–676. Bibcode : 2003ApPhL..82..674S . DOI : 10.1063 / 1.1540241 . ISSN   0003-6951 .
  • Стоянов, Николай С .; Уорд, Дэвид В .; Ферер, Томас; Нельсон, Кейт А. (2002-09-02). «Распространение терагерцовых поляритонов в структурированных материалах». Материалы природы . Springer Nature. 1 (2): 95–98. Bibcode : 2002NatMa ... 1 ... 95S . DOI : 10.1038 / nmat725 . ISSN   1476-1122 . PMID   12618821 . S2CID   9066991 .

Внешние ссылки

Рекомендации