поляритоника

Поляритоника представляет собой промежуточный режим между фотоникой и субмикроволновой электроникой (см. рис. 1). В этом режиме сигналы передаются посредством смеси электромагнитных и решеточных колебательных волн, известных как фонон- поляритоны , а не токов или фотонов . Поскольку фонон-поляритоны распространяются с частотами от сотен гигагерц до нескольких терагерц , поляритоника заполняет разрыв между электроникой и фотоникой. Убедительной мотивацией для поляритоники является потребность в высокоскоростной обработке сигналов и линейной и нелинейной терагерцовой спектроскопии . Поляритоника имеет явные преимущества перед электроникой, фотоникой и традиционной терагерцовой спектроскопией, поскольку она предлагает потенциал для полностью интегрированной платформы, которая поддерживает генерацию, наведение, манипулирование и считывание терагерцовых волн в одном структурированном материале.

Поляритоника, как электроника и фотоника, требует трех элементов: надежной генерации сигналов, обнаружения, а также наведения и контроля. Без всех трех поляритоника свелась бы к просто фонон-поляритонам, точно так же, как электроника и фотоника свелись бы к просто электромагнитному излучению. Эти три элемента можно объединить, чтобы обеспечить функциональность устройства, аналогичную той, что используется в электронике и фотонике.

Иллюстрация

**Рисунок 2** : Причудливое изображение поляритонной схемы, иллюстрирующее полностью интегрированную генерацию, наведение, манипулирование и считывание терагерцовых волн в одном узорчатом материале. Фонон-поляритоны генерируются в верхнем левом и нижнем правом углах путем фокусировки фемтосекундных оптических импульсов возбуждения в кристалл вблизи входов волновода. Фонон-поляритоны распространяются латерально от области возбуждения в волноводы. Обработка сигналов и функциональность схемы облегчаются резонансными резонаторами, отражателями, фокусирующими элементами, связанными волноводами, делителями, сумматорами, интерферометрами и структурами фотонной запрещенной зоны, созданными путем фрезерования каналов, которые полностью простираются по всей толщине кристалла.

Для иллюстрации функциональности поляритонных устройств рассмотрим гипотетическую схему на рис. 2 (справа). Импульсы оптического возбуждения, генерирующие фонон-поляритоны, в левом верхнем и правом нижнем углу кристалла, поступают перпендикулярно грани кристалла (на страницу). Образующиеся фонон-поляритоны будут перемещаться вбок от областей возбуждения. Вход в волноводы облегчают отражающая и фокусирующая структуры. Фонон-поляритоны направляются по схеме с помощью терагерцовых волноводов, вырезанных в кристалле. Функциональность схемы заключается в структуре интерферометра вверху и структуре связанного волновода внизу схемы. Последний использует фотонную запрещенную структуру с дефектом (желтым), который может обеспечить бистабильность связанного волновода.

Генерация сигналов

Фонон-поляритоны, генерируемые в сегнетоэлектрических кристаллах, распространяются почти латерально к импульсу возбуждения из-за высоких диэлектрических проницаемостей сегнетоэлектрических кристаллов, что облегчает отделение фонон-поляритонов от импульсов возбуждения, которые их генерировали. Таким образом, фонон-поляритоны доступны для прямого наблюдения, а также для когерентного манипулирования, поскольку они перемещаются из области возбуждения в другие части кристалла. Латеральное распространение имеет первостепенное значение для поляритонной платформы, в которой генерация и распространение происходят в одном кристалле. Полное рассмотрение отклика терагерцовой волны, подобного черенковскому излучению, показывает, что в целом существует также компонента прямого распространения, которую необходимо учитывать во многих случаях.

Обнаружение сигнала

Прямое наблюдение распространения фонон-поляритонов стало возможным благодаря визуализации в реальном пространстве, при которой пространственные и временные профили фонон-поляритонов отображаются на ПЗС-камере с использованием преобразования фазы в амплитуду Тальбота. Это само по себе было выдающимся прорывом. Это был первый случай, когда электромагнитные волны были непосредственно отображены, очень похожие на рябь в пруду, когда камень падает через поверхность воды (см. рис. 3). Визуализация в реальном пространстве является предпочтительным методом обнаружения в поляритонике, хотя другие более традиционные методы, такие как оптическое стробирование Керра, дифракция с временным разрешением , интерферометрическое зондирование и генерация второй гармоники , индуцированная терагерцовым полем, полезны в некоторых приложениях, где получение изображений в реальном пространстве недоступно. легко трудоустроен. Например, узорчатые материалы с размерами элементов порядка нескольких десятков микрометров вызывают паразитное рассеяние визуализирующего света. В этом случае обнаружение фонон-поляритонов возможно только путем фокусировки более обычного зонда, подобного упомянутым ранее, в незапятнанную область кристалла.

**Рисунок 3** : Кадры фонон-поляритонного фильма о широкополосной генерации и распространении фонон-поляритонов в ниобате лития, снятые с помощью изображений в реальном пространстве. На первом кадре показаны исходные фонон-поляритоны в момент генерации. Сразу после этого волновые пакеты расходятся из области возбуждения в обоих направлениях. На втором кадре, снятом через 30 пс после генерации, показаны два фонон-поляритона, движущиеся вправо. Первый (слева) является отражением исходного волнового пакета, идущего влево, а другой первоначально двигался вправо.

Руководство и контроль

Последний элемент, необходимый для поляритоники, — это руководство и контроль. Полное латеральное распространение, параллельное плоскости кристалла, достигается за счет генерации фонон-поляритонов в кристаллах толщиной порядка длины волны фонон-поляритонов. Это приводит к тому, что распространение происходит в одной или нескольких доступных модах пластинчатого волновода. Однако дисперсия в этих модах может радикально отличаться от дисперсии при объемном распространении, и чтобы использовать это, необходимо понимать дисперсию.

Контроль и управление распространением фонон-поляритонов также могут быть достигнуты с помощью направленных волновых, отражающих, дифракционных и дисперсионных элементов, а также фотонных и эффективных индексных кристаллов, которые можно интегрировать непосредственно в основной кристалл. Однако ниобат лития , танталат лития и другие перовскиты непроницаемы для стандартных методов создания рисунка материала. Фактически, единственным травителем, который, как известно, имеет хотя бы незначительный успех, является плавиковая кислота (HF), которая травит медленно и преимущественно в направлении кристаллооптической оси.

Лазерная микрообработка

Фемтосекундная лазерная микрообработка используется для изготовления устройств путем фрезерования «воздушных» отверстий и/или впадин в сегнетоэлектрических кристаллах путем направления их через область фокуса фемтосекундного лазерного луча. . Преимущества фемтосекундной лазерной микрообработки широкого спектра материалов хорошо документированы. ^[1] Короче говоря, свободные электроны создаются в фокусе луча посредством многофотонного возбуждения . Поскольку пиковая интенсивность фемтосекундного лазерного импульса на много порядков выше, чем у более длинных импульсов или лазеров непрерывного действия, электроны быстро возбуждаются и нагреваются, образуя квантовую плазму . В частности, в диэлектрических материалах электростатическая нестабильность решетки, вызванная плазмой оставшихся ионов , приводит к выбросу этих ионов и, следовательно, к абляции материала. ^[2] оставляя материальную пустоту в области фокусировки лазера. Кроме того, поскольку длительность импульса и время абляции намного превышают время термализации , фемтосекундная лазерная микрообработка не страдает от неблагоприятных последствий зоны термического влияния, таких как растрескивание и плавление в областях, соседних с предполагаемой областью повреждения. ^[3]

См. также

Внешние ссылки

Фойрер, Т.; Стоянов Николай С.; Уорд, Дэвид В.; Воган, Джошуа К.; Стац, Эрик Р.; Нельсон, Кейт А. (2007). «Терагерцовая поляритоника». Ежегодный обзор исследований материалов . 37 (1). Годовые обзоры : 317–350. Бибкод : 2007AnRMS..37..317F . дои : 10.1146/annurev.matsci.37.052506.084327 . ISSN 1531-7331 . S2CID 33353438 .
Уорд, Д.В.; Статц, скорая помощь; Нельсон, Калифорния (07 октября 2006 г.). «Изготовление поляритонных структур в LiNbO ₃ и LiTaO ₃ методом фемтосекундной лазерной обработки». Прикладная физика А. 86 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 49–54. дои : 10.1007/s00339-006-3721-y . ISSN 0947-8396 . S2CID 96281166 .
Дэвид В. Уорд: Поляритоника: промежуточный режим между электроникой и фотоникой , доктор философии. Диссертация, Массачусетский технологический институт, 2005 г. Это основная ссылка в этой статье.
Уорд, Дэвид В.; Стац, Эрик Р.; Нельсон, Кейт А.; Рот, Райан М.; Осгуд, Ричард М. (10 января 2005 г.). «Генерация и распространение терагерцовых волн в тонких пленках ниобата лития, полученных методом нарезки ионов кристаллов» . Письма по прикладной физике . 86 (2). Издательство AIP: 022908. Бибкод : 2005ApPhL..86b2908W . дои : 10.1063/1.1850185 . ISSN 0003-6951 .
Уорд, Дэвид В.; Бирс, Хайме Д.; Фойрер, Т.; Стац, Эрик Р.; Стоянов Николай С.; Нельсон, Кейт А. (15 ноября 2004 г.). «Когерентное управление фонон-поляритонами в терагерцовом резонаторе, изготовленном с помощью фемтосекундной лазерной обработки». Оптические письма . 29 (22). Оптическое общество: 2671–3. Бибкод : 2004OptL...29.2671W . дои : 10.1364/ол.29.002671 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 15552680 .
Фойрер, Т.; Воган, Джошуа К.; Нельсон, Кейт А. (17 января 2003 г.). «Пространственно-временное когерентное управление решеточными колебательными волнами». Наука . 299 (5605). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 374–377. Бибкод : 2003Sci...299..374F . дои : 10.1126/science.1078726 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 12532012 . S2CID 19627306 .
Стоянов Николай С.; Фойрер, Т.; Уорд, Дэвид В.; Нельсон, Кейт А. (3 февраля 2003 г.). «Комплексные дифракционные терагерцовые элементы». Письма по прикладной физике . 82 (5). Издательство AIP: 674–676. Бибкод : 2003АпФЛ..82..674С . дои : 10.1063/1.1540241 . ISSN 0003-6951 .
Стоянов Николай С.; Уорд, Дэвид В.; Фойрер, Томас; Нельсон, Кейт А. (2 сентября 2002 г.). «Распространение терагерцовых поляритонов в узорчатых материалах». Природные материалы . 1 (2). Спрингер Природа: 95–98. Бибкод : 2002NatMa...1...95S . дои : 10.1038/nmat725 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 12618821 . S2CID 9066991 .

Внешние ссылки

Исследовательская группа Массачусетского технологического института , которая изобрела поляритонику.

Ссылки

^ Бонс, Дж.; Крюгер, Дж.; Хём, С.; Розенфельд, А. (16 июля 2012 г.). «Периодические поверхностные структуры, индуцированные фемтосекундным лазером» . Журнал лазерных приложений . 24 (4): 042006. дои : 10.2351/1.4712658 . ISSN 1042-346X .
^ Булгакова, Н.М.; Стоян, Р.; Розенфельд, А.; Гертель, IV; Марин, В.; Кэмпбелл, EEB (1 июля 2005 г.). «Общий континуальный подход к описанию быстрого электронного транспорта в материалах, облученных импульсным лазером: проблема кулоновского взрыва» . Прикладная физика А. 81 (2): 345–356. дои : 10.1007/s00339-005-3242-0 . ISSN 1432-0630 .
^ Йешке, Харальд О.; Гарсия, Мартин Э.; Ленцнер, Матиас; Бонсе, Йорн; Крюгер, Йорг; Каутек, Вольфганг (30 сентября 2002 г.). «Пороги лазерной абляции кремния при различной длительности импульса: теория и эксперимент» . Прикладная наука о поверхности . КОЛА'01 СИ. 197–198: 839–844. дои : 10.1016/S0169-4332(02)00458-0 . ISSN 0169-4332 .

[1] Бонс, Дж.; Крюгер, Дж.; Хём, С.; Розенфельд, А. (16 июля 2012 г.). «Периодические поверхностные структуры, индуцированные фемтосекундным лазером» . Журнал лазерных приложений . 24 (4): 042006. дои : 10.2351/1.4712658 . ISSN 1042-346X .

[2] Булгакова, Н.М.; Стоян, Р.; Розенфельд, А.; Гертель, IV; Марин, В.; Кэмпбелл, EEB (1 июля 2005 г.). «Общий континуальный подход к описанию быстрого электронного транспорта в материалах, облученных импульсным лазером: проблема кулоновского взрыва» . Прикладная физика А. 81 (2): 345–356. дои : 10.1007/s00339-005-3242-0 . ISSN 1432-0630 .

[3] Йешке, Харальд О.; Гарсия, Мартин Э.; Ленцнер, Матиас; Бонсе, Йорн; Крюгер, Йорг; Каутек, Вольфганг (30 сентября 2002 г.). «Пороги лазерной абляции кремния при различной длительности импульса: теория и эксперимент» . Прикладная наука о поверхности . КОЛА'01 СИ. 197–198: 839–844. дои : 10.1016/S0169-4332(02)00458-0 . ISSN 0169-4332 .

[1]

[2]

[3]