WikiDer > 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. Другой квазичастицы/ коллективные возбуждения, такие как магнон-поляритоны и экситон-поляритоны, их расположение указано выше, могут быть использованы таким же образом, как фонон-поляритоны были использованы для поляритоники.

Поляритоника это промежуточный режим между фотоника и суб-микроволновая печь электроника (см. рис. 1). В этом режиме сигналы переносятся примесью электромагнитный и решетчатые колебательные волны известный как фонон-поляритоны, скорее, чем токи или же фотоны. Поскольку фонон-поляритоны распространяются с частоты в диапазоне сотен гигагерц нескольким терагерц, поляритоника ликвидирует разрыв между электроникой и фотоникой. Убедительной мотивацией для поляритоники является потребность в высокой скорости обработка сигналов и линейные и нелинейные терагерцы спектроскопия. 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, манипуляции и считывание в едином структурированном материале.

Поляритоника, как электроника и фотоника, требует трех элементов: надежной генерации сигналов, обнаружения, наведения и управления. Без всех трех поляритоника была бы сведена только к фонон-поляритонам, 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

фигура 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 за счет фокусировки фемтосекунда импульсы оптического возбуждения в кристалл вблизи входов в волновод. Фонон-поляритоны распространяются латерально от области возбуждения в волноводы. Обработка сигналов и функциональность схемы облегчаются резонансными полостями, отражателями, фокусирующими элементами, связанными волноводами, делителями, сумматорами, интерферометрыи фотонные запрещенные структуры, 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, генерирующие 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 Этому способствуют отражающие и фокусирующие структуры. Фонон-поляритоны проходят по цепи терагерцовыми волноводами, вырезанными в кристалле. Функциональность схемы заключается в структуре интерферометра в верхней части и в структуре связанных волноводов в нижней части схемы. Последний использует фотонная запрещенная зона конструкция с дефектом (желтый), который может бистабильность для связанного волновода.

Генерация формы волны

Фонон-поляритоны, генерируемые в сегнетоэлектрик кристаллы распространяются почти латерально к импульсу возбуждения из-за высокого диэлектрик константы сегнетоэлектрик кристаллы, облегчая легкое отделение фонон-поляритонов от возбуждающих импульсов, которые их генерируют. Таким образом, фонон-поляритоны доступны для прямого наблюдения, а также для когерентной манипуляции, когда они перемещаются из области возбуждения в другие части кристалла. Боковое распространение имеет первостепенное значение для поляритонной платформы, в которой генерация и распространение происходят в монокристалле. Полное лечение Черенковское излучение-подобный отклик терагерцовой волны показывает, что, как правило, существует также компонент прямого распространения, который необходимо учитывать во многих случаях.

Обнаружение сигнала

Прямое наблюдение за распространением фонон-поляритонов стало возможным благодаря визуализации в реальном пространстве, в которой пространственные и временные профили фонон-поляритонов отображаются на CCD камера 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 стробирование Керра, с временным разрешением дифракция, интерферометрическое зондирование и индуцированное терагерцовым полем генерация второй гармоники полезны в некоторых приложениях, где не так просто получить изображения в реальном пространстве. Например, узорчатые материалы с размерами элементов порядка нескольких десятков микрометры вызывают паразитное рассеяние света изображения. В этом случае обнаружение фонон-поляритонов возможно только при фокусировке более обычного зонда, подобного упомянутым ранее, в безупречную область кристалла.

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

Руководство и контроль

Последний элемент, необходимый для поляритоники, - это руководство 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 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 мение, ниобат лития, танталат лития, и другие перовскиты непроницаемы для стандартных техник нанесения рисунка на материал. Фактически, единственный травить известно, что он даже незначительно успешен плавиковая кислота (HF), который травится медленно и преимущественно в направлении оптической оси кристалла.

Лазерная микрообработка

Фемтосекундный лазер микрообработка используется для изготовления устройств путем фрезерования «воздушных» отверстий и / или желобов в сегнетоэлектрических кристаллах, направляя их через область фокуса фемтосекундного лазерного луча. Это первая демонстрация удобных, контролируемых и быстрых крупномасштабных повреждений, индуцированных в ниобате лития и танталате лития. Преимущества фемтосекундной лазерной микрообработки для широкого спектра материалов хорошо известны. 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 ускоряются и нагреваются с образованием плазмы. Электростатическая нестабильность, вызванная плазма, оставшейся решетки ионы приводит к выбросу этих ионов и, следовательно, абляция материала, оставляя пустоту в материале в области фокусировки лазера. Поскольку в фокусе луча всегда присутствуют многофотонно возбужденные свободные электроны, в результате получается очень однородное и повторяемое повреждение, ограниченное областью фокуса лазера. Кроме того, поскольку длительность импульса и масштабы времени абляции намного быстрее, чем время термализации, фемтосекундная лазерная микрообработка не страдает от неблагоприятных воздействий зоны термического влияния, таких как растрескивание и плавление в областях, соседствующих с предполагаемой областью повреждения.

Смотрите также

Рекомендации

  • 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. Дои:10.1146 / annurev.matsci.37.052506.084327. ISSN 1531-7331.
  • Ward, D.W .; Statz, E.R .; Нельсон, К. (2006-10-07). «Изготовление поляритонных структур в LiNbO.3 и LiTaO3 с использованием фемтосекундной лазерной обработки ». Прикладная физика A. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 86 (1): 49–54. Дои:10.1007 / s00339-006-3721-y. ISSN 0947-8396.
  • Дэвид В. Уорд: Поляритоника: промежуточный режим между электроникой и фотоникой, Кандидат наук. 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 кристаллов иона». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 86 (2): 022908. Дои: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): 2671-2673. Дои:10.1364 / ol.29.002671. ISSN 0146-9592.
  • Feurer, T .; Vaughan, Joshua C .; Нельсон, Кейт А. (17 января 2003 г.). «Пространственно-временное когерентное управление колебательными волнами в решетке». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 299 (5605): 374–377. Дои:10.1126 / science.1078726. ISSN 0036-8075.
  • 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. Дои: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. Дои:10.1038 / nmat725. ISSN 1476-1122.

внешняя ссылка