Приложения фотоники во многом полагаются на то, что физики называют нелинейной оптикой — различное поведение материалов в зависимости от интенсивности проходящего через них света. Чем больше нелинейность, тем перспективнее материал для реальных приложений. Теперь команда, возглавляемая Робертом Бойдом, профессором оптики и физики в Университете Рочестера и кафедрой канадских исследований в области квантовой нелинейной оптики в Университете Оттавы, продемонстрировала, что прозрачный оксид индия и олова с электропроводностью может привести к нелинейность до 100 раз выше, чем у других известных материалов.«Этот результат меняет правила игры в фотонике», — сказал Бойд. «В основе этого лежит то, над чем я работал в Рочестере более 30 лет.
Я считаю очень полезным, что даже спустя все это время в области нелинейной оптики все еще остаются фундаментальные вопросы, на которые нужно ответить».Результат будет опубликован в журнале Science в четверг, 28 апреля 2016 г.Фотоника использует свет для передачи информации.
Фотоника также использует свет для выполнения логических операций, как и электроника с электронами. Ключевым аспектом способности управлять светом является возможность управлять определенным свойством — показателем преломления — материала, излучающего свет.Изменение показателя преломления материала, которое приводит к тому, что свет распространяется быстрее или медленнее, является ключевым способом управления светом в фотонных приложениях.
Когда показатель преломления различается для разных интенсивностей света, материал описывается как оптически нелинейный.
Когда через материал проходит световой импульс, показатель преломления изменяется в соответствии с этой интенсивностью. Показатель преломления материала изменяется всего за несколько фемтосекунд — несколько миллионных долей миллиардной секунды. Для некоторых потенциальных применений можно послать второй импульс через материал до того, как он успеет восстановиться для первого импульса. Этот второй импульс затем "видит" материал как имеющий показатель преломления, измененный первым импульсом.
В целом, однако, именно скорость, с которой восстанавливается материал, а также диапазон значений, которые может принимать показатель преломления — насколько сильно нелинейен материал — делают эту систему особенно привлекательной для приложений фотоники.Бойд, его аспирант в Оттаве М. Захирул Алам, а затем научный сотрудник Исраэль Де Леон (в настоящее время профессор в Монтеррее, Мексика) смогли улучшить предыдущий рекорд по оптической нелинейности в 100 раз. Это улучшение имело место. потому что эти исследователи использовали необычные оптические свойства материала, которые возникают при определенных условиях, так называемую эпсилон-область, близкую к нулю.
«Было удивительно, что показать такую сильную оптическую нелинейность в известном металле было так легко», — сказал Бойд. «Этот материал существует уже много лет, но до сих пор сообщество упускало из виду потенциал, который предлагает область материалов, близкая к нулю».«Наблюдаемый нами оптический нелинейный отклик представляет новую парадигму в нелинейной оптике», — сказал Де Леон, ныне профессор Tecnologico de Monterrey, Мексика. «Общеизвестно, что нелинейные эффекты крошечные по сравнению с линейными; но в нашей работе мы измерили нелинейный отклик, который на 170% больше линейного».
Результат открывает дверь для более тщательного изучения этой области материалов с целью поиска материала, который может предложить именно те свойства, которые подходят для определенных приложений фотоники.Область, близкая к нулю, для этого материала связана со светом определенной частоты, примерно с длиной волны 1,2 микрометра. Эта длина волны представляет интерес, потому что она находится между длиной волны видимого света и светом с длиной волны 1,5 микрометра.
Эта длина волны представляет особый интерес для оптической связи, в которой используются такие устройства, как волоконная оптика, для передачи информации в свете.Возможно, что изменения в химическом составе материала могут привести к изменению частоты, на которой возникает эпсилон около нуля, что приближает эту частоту к частоте, используемой в оптической связи.