Лазерный мир

Ученые из ННГУ им. Лобачевского опровергли эффект усиления плазмонов на поверхности нестационарного графена, тем самым заложив основы теоретического описания электромагнитных явлений в нестационарных микроволноводах. Результаты исследования опубликованы в журнале Optica.

Temporal scattering of a graphene plasmon by a rapid carrier density decrease

Recently, the temporal control of graphene carrier density has emerged as a viable means to create various frequency shifting, modulation, and sensing photonic devices. Here we describe a general theoretical approach to calculate the graphene plasmon transformation after rapid changes of the Fermi level and carrier density. The approach is based on solving the Maxwell equations supplemented by the microscopic current equation. We derive formulas for the amplitudes of the transmitted and reflected plasmons after a rapid carrier density drop. The relation of these amplitudes and the Fourier transformed finite-difference time-domain (FDTD) fields is also established by introducing the concept of differential spectral transformation of wavepackets. The results of the analytical and FDTD approaches refute the claims of plasmon amplification under rapid carrier changes that appeared in recent theoretical studies. The presented theoretical and computational approaches form a basis of time-varying electromagnetics of graphene plasmonics.

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-12-1508

Переход от электронных интегральных схем к более быстродействующим и энергоэффективным оптическим – одна из важнейших целей развития фотонных технологий. Фотонные интегральные схемы применяются для передачи и обработки сигналов в оптических сетях и системах связи, однако в основном они используются в комбинации с электронными схемами, так как чисто фотонные устройства пока не конкурентоспособны.

Одна из трудностей при их создании — сложность изготовления на одном микрочипе различных устройств (волноводных соединений, делителей мощности, усилителей, модуляторов, лазеров и детекторов), поскольку они делаются из разных материалов. Чтобы повысить быстродействие фотонных интегральных схем, ведется поиск новых материалов, обладающих высокой оптической нелинейностью.

По словам заведующего кафедрой общей физики ННГУ Михаила Бакунова, теоретические и экспериментальные работы последнего времени показывают возможность сверхбыстрого изменения концентрации носителей в графене, что открывает возможности для манипулирования амплитудой и частотой направляемых поверхностью графена световых волн (плазмонов).

«Разработка физических моделей для описания электромагнитных процессов в нестационарном графене имеет важное прикладное значение и вызывает повышенный интерес исследователей. Одним из результатов исследований 2018 года стало предсказание в ряде работ возможности усиления (увеличения энергии) плазмонов за счет изменения концентрации носителей в графене, что, безусловно, привлекательно для создания новых устройств», – отмечает Михаил Бакунов.

Сотрудники ННГУ разработали теорию преобразования световых волн, распространяющихся по поверхности графена при изменении концентрации электронов в графене. В отличие от предшествующих работ, точно учтено взаимодействие электронов со световым полем. Одним из результатов исследования стало опровержение предсказанной ранее возможности усиления световых волн за счет изменения концентрации электронов. Таким образом, работа ученых ННГУ дает новый взгляд на динамику волн в нестационарных микроволноводах, способствуя тем самым развитию фотонных интегральных схем.

«До нашей работы, – продолжает Михаил Бакунов, – были сделаны две попытки теоретического описания преобразования световых волн на поверхности нестационарного графена (обе в течение последнего года) группами из Бельгии и США. Обе работы опирались на неверное предположение о поведении магнитного поля световой волны при скачке концентрации электронов в графене. Вместо каких-либо предположений о поведении полей, наша теория основана на точном микроскопическом учете динамики тока электронов в графене, чего не делалось в предшествующих работах. Поведение полей вытекает из нашей теории само собой. В частности, теория показывает неправильность использованного ранее предположения о поведении магнитного поля. Таким образом, наша теория решает проблему правильного описания преобразования света на поверхности графена с переменной концентрацией электронов».

Источник: https://indicator.ru/news/2019/01/18/fotonnye-integralnye-shemy/