XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

В настоящее время замедление света как способ управления его скоростью привлекает большое внимание ученых. Замедленный свет играет важную роль в фотонных устройствах. Одним из применений замедленного света является хранение светового сигнала в оптических буферах для создания линий задержки [1]. Замедление света в среде с n > 1 факт далеко не новый, весь вопрос в том, с какой целью это делается. Первоначально цель была явно амбициозная – замедлить свет и как можно больше. В этой гонке на замедление результаты росли довольно быстро. Уже в 1999 году было экспериментально доказано, что свет можно практически остановить, заставив его, например, распространяться в специально созданной замороженной до температуры 50 нанокельвинов среде, называемой

конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC), со скоростью, в 20 миллионов раз более медленной, чем его скорость в вакууме [2].

Для того, чтобы получить необходимое уменьшения скорости света и получения замедленного света используются резкие изменения показателя преломления, происходящие на резонансной частоте материала. Важно не только создать задержку света, но и создать легко управляемую задержку при комнатной температуре и в среде, которая широко используется для передачи полезного оптического сигнала, например в оптоволокне (ОВ), в том числе и фотонном, или в волноводах различного типа, или в
тонких пленках из п/п материала. Например, задержку света можно сделать компактной и многократно повторяемой, если использовать решетку Брэгга
или микрорезонатор типа Фабри-Перо, в котором световой
импульс многократно отражается, пока в определенный момент не будет выведен из него. Используя такую технику, можно реализовать относительно длинные и дискретно изменяемые задержки [2].

Важное значение имеет управление скоростью света в
твердотельных полупроводниках, поскольку эти материалы подходят для использования в таких устройствах фотоники, как оптическая память и оптические квантовые процессоры [3]. Существуют разные способы снижения скорости света: электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИП), когерентные осцилляции населенностей (КОН), вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна (ВРМБ) [1, 2]. В частности, метод ЭИП был реализован в нормальных и холодных газах из трехуровневых атомов, где с его помощью удалось понизить групповую скорость света до 8 м/с [1].

Рассмотрим устройства на квантовых точках, которые работают на основе метода КОН. Рассмотрим замедлитель света на КТ In_0.25Ga_0.75As/
GaAs, аналогичный показанному на рис.1 и основанный на
использовании КОН. Согласно работе [1], радиус точки
равен 8 нм, ее высота составляет 5 нм, а поверхностная
плотность – 10¹⁴ м^–2.

Рис. 1. Схема «накачка–сигнал» для возбуждения осцилляций населенностей в ансамбле КТ (a) и геометрия одиночной КТ (б). КТ
моделируется цилиндром высотой h и радиусом r [4]

Как показано в [1], изменение радиуса КТ влияет на энергию возникающего в полупроводниковой квантовой точке экситона и приводит к сдвигу центральной частоты замедлителя света. С увеличением радиуса КТ фактор замедления снижается.

Рис. 2. Фактор замедления рассматриваемого устройства при трех
различных значениях внешнего магнитного поля [1]

Наложение внешнего магнитного поля повышает энергию экситона. наложение внешнего магнитного поля не оказывает воздействия на групповую скорость и фактор замедления для данного устройства (рис. 2). Тем не менее при приложении к устройству внешнего магнитного поля энергия увеличивается; при этом, как и ожидалось, центральная частота прибора смещается в сторону больших значений. Данный подход можно использовать для подстройки уже изготовленного замедлителя света [1, 5].

На основе выбранного механизма создаются системы управляемого замедления света [2]. Управляемый медленный свет может использоваться в различных приложениях, таких как:

управляемые оптические линии задержки (ОЛЗ);

оптические буферы (ОБ);

устройства естественной временной задержки для радаров
с синтезированной апертурой [2].

При этом основной показатель медленного света: нормализованная временная задержка = общей временной задержке/временной интервал, занимаемый импульсом = информационной емкости хранения среды [2]. Данной задержкой можно управлять, как показано выше на основе включения сильного внешнего поля.

Литература

Чупанзаде Б., Катузян Х., Кохандани Р.. Анализ влияния изменений геометрических размеров и внешнего магнитного поля на оптические свойства замедлителей света на квантовых точках InGaAs/GaAs // Квантовая электроника. 2018. –Т. 48. - № 6. С. 582-604

Слепов.Н. О свете медленном и быстром // Новые оптические технологии. По материалам конференции OFC – 2006. https://www.photonics.su › files › article_2656_709.

Joseph E. Vornehm, "Photonic Technologies to Enable Slow Light Applications", (2014).

Chang S.-W., Chuang S.L. Phys. Rev. B, 72, 235330 (2005)

Гинзбург И.Ф. Некоторые задачи классической электродинамики // Письма в ЭЧАЯ. -2011. –Т. 8. - № 7(170). –С. 1232-1241.

Xiaorun Zang, Jianji Yang, Rémi Faggiani, Christopher Gill, Plamen G. Petrov, Jean-Paul Hugonin, Kevin Vynck, Simon Bernon, Philippe Bouyer, Vincent Boyer, and Philippe Lalanne. Interaction between Atoms and Slow Light: A Study in Waveguide Design // Phys. Rev. Applied. -2016. -№ 5, P. 024003.

Kali Wilson, Bethany Little, Genevieve Gariepy, Robert Henderson, John Howell, and Daniele Faccio. Slow light in flight imaging //Phys. Rev. -2017. - A 95, P. 023830. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.95.023830

Tomohiro Amemiya, Satoshi Yamasaki, Makoto Tanaka, Hibiki Kagami, Keisuke Masuda, Nobuhiko Nishiyama, and Shigehisa Arai, "Demonstration of slow-light effect in silicon-wire waveguides combined with metamaterials" // Opt. Express/ -2019. – N. 27, P. 15007-15017.

Код для цитирования: Скопировать