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, интерферометры и 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