3.3 Однофотонный транзистор
Исследователи рассчитывают на то, что благодаря очень малым размерам металлических наноструктур и оптическому быстродействию происходящих в них процессов наноплазмоника позволит создать новую элементную базу для оптических компьютеров и устройств обработки данных. Для успешной реализации этой идеи необходимо разработать плазмонные устройства, аналогичные традиционным электронным транзисторам или аналогичной элементной базы, из которой можно сконструировать нанофотонные процессоры. Физическая основа работы однофотонного транзистора — эффект трансформации объемной электромагнитной волны в поверхностный плазмон. Поверхностный плазмон имеет двойственную природу, являясь одновременно объемной электромагнитной волной вне металла и плазменной волной в скин-слое. Этот факт обеспечивает его сильную связь с фотонами над поверхностью.
Конструкция однофотонного транзистора приведена на рисунке 6. Ее предложил советский физик М. Д. Лукин, работающий в Гарвардском университете (США). В волноводе располагаются однофотонный источник и металлическая нанопроволока. По волноводу перемещаются поток фотонов. Эффект работы транзистора зависит от геометрии расположения фотонного источника. При слишком близком расположении фотонного источника будет распространяться затухающая мода плазмонов. При далеком расположении фотонного источника будет излучаться волноводная мода. При оптимальной геометрии источника возбуждается поверхностный плазмон. В этом случае один фотон из источника способен перекрыть весь поток в волноводе. Проявляется некоторая аналогия с одноэлектронным транзистором. В качестве источника одиночных фотонов можно использовать от- дельный атом или квантовую точку. Возникает возможность реализовать два состояния однофотонного транзистора: открыто и закрыто. В перспективе это станет одним из элементов оптического компьютера.
Рисунок 6 - Схема однофотонного транзистора, помещенного в волновод рядом с нанопроволокой
1 — фотон, возбуждающий распространяющийся плазмон, 2 — фотон, возбуждающий затухающий плазмон, 3 — нерабочий фотон, 4 — нанопроволока, 5 — источник фотонов.
Группа российских и американских исследователей предложила интерфейс, который способен осуществить передачу ин- формации между атомами и светом. Квантовая информация — это суперпозиция двух или более энергетических состояний атома, которые поддаются регистрации. Квантовая информация передается свету. Создан интегрированный чип, построенный на одном искусственном атоме с волоконным выходом, с помощью которого можно передать квантовую информацию с атома на фотон. Такое устройство интегрирует функции ячейки памяти и однофотонного транзистора. Разрабатываются приборы для передачи квантовой информации — например, регистры, построенные на нескольких атомах. Такие приборы могут стать основой для создания новых технологий связи, квантовых компьютеров.
3.4 Интегральные схемы на плазмонах
Для управления потоками оптической информации в плазмонных процессорах и компьютерах необходимо разработать пассивные и активные элементы, причем активные элементы должны быть нелинейными. В качестве физических процессов, обеспечивающих нелинейность, можно использовать термо-, электро- и магнитооптические эффекты, на которых основаны элементы и компоненты наноустройств. В качестве плазмонных волноводов в устройствах используются полосковые линии. По ним можно транспортировать не только плазмоны как носители информационного оптического сигнала, но и управляющие электрические токи низкой частоты. На основе термооптических эффектов, возбуждаемых проходящими по полосковому плазменному волноводу электрическими токами, реализованы оптические модуля- торы и переключатели. Одновременно полосковые линии могут быть использованы как датчики величины переносимой плазмонами энергии, которая изменяется в соответствии с изменением электрического сопротивления волновода (рисунок 7).
Рисунок 7 - Схемы линейного плазмонного волновода (а) и плазмонного интерферометра типа Маха–Цандера с вмонтированным нагревателем в одном из плеч (б)
Другим конструкторским приемом создания активных плазмонных наноустройств является использование нелинейных элементов на той же подложке, на которой расположен плазмонный нановолновод. Металло-диэлектрической плазмонный волновод содержит галлиевую секцию и брэгговские решетки для ввода и вывода плазмонов и оптических сигналов. Особенно он подходит для создания активных элементов наноплазмоники. В качестве такого элемента можно использовать металлическую полоску галлия, в которой могут происходить структурные фазовые переходы. Несколько переключателей могут быть интегрированы и сформировать сложные устройства преобразования плазмонных сигналов.