Ученые предложили новый метод управления состоянием оптических устройств — они смогли регулировать их мощность с помощью изменения угла падающего света. Таким же способом оптические системы можно быстро включать и выключать, как лампы или электрические приборы. Результаты исследования, которое провели физики из ИТМО и МФТИ в рамках программы Клевер, позволят создавать элементы для оптоэлектронных микроустройств.
Свет в оптических системах выполняет ту же функцию, что и электричество в привычных для нас устройствах. С его помощью можно активировать и контролировать работу оптических цепей (совокупность элементов устройства, по которым передается оптический сигнал). Так, изменяя угол наклона лазерного излучения, ученые ИТМО и МФТИ научились управлять чувствительными к свету и теплу бистабильными системами.
Бистабильные системы — это системы, которые могут находиться при одних и тех же условиях возбуждения в двух различных состояниях: включенном и выключенном. Причем их можно переводить из одного состояния в другое, буквально как лампочку с помощью переключателя. Эти системы работают по принципу памяти: запоминают «предысторию», то есть поступающие из внешней среды данные, а после «воспроизводят» их, что позволяет, например, создавать логические элементы в оптических системах. Однако управлять в них переходом из одного состояния в другое сложно — для этого оптические системы должны обладать специальными свойствами нелинейности.
Ученым удалось реализовать подобный режим работы систем благодаря эффектам их теплового нагрева при облучении лазерным излучением. Режим бистабильности и переключения они достигли за счет уникальных свойств метаповерхностей — ультратонких наноструктурированных пленок толщиной в несколько сот нанометров.
Лазерный луч падает на метаповерхность из кремния и возбуждает ее оптические резонансы (взаимодействие частиц света со средой, в результате которого активизируется их движение внутри системы). Накопленная в системе энергия приводит к нагреву пластины метаповерхности, и таким образом меняется ее показатель преломления. За счет этого система переходит в состояние «включено». «Выключение» происходит при значительном снижении мощности излучения, когда пластина остывает.
Оптические переключатели существовали и раньше. Так, недавнее исследование продемонстрировало рекордно малую оптическую структуру с подобными свойствами. Однако новая разработка на основе метаповерхностей позволяет легко интегрировать ее в любую оптическую или оптоэлектронную систему в качестве элемента так называемой «сверхтонкой оптики».
«Мы хотели сделать переключаемую систему, которую можно использовать как логический элемент в оптических вычислительных устройствах. Механизм работы систем оптического вычисления аналогичен электронным, уставленным в компьютерах, — импульсы света также кодируют данные. Сначала мы кодируем нужную информацию в падающем на метаповерхность луче, метаповерхность производит логические операции, которые после можно считать в отраженном свете. Так можно создавать оптические схемы и комбинировать их в целые устройства», — отмечает Михаил Петров, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО.
Вторая область применения разработки — использование переключателей в фильтрах оптической мощности. По принципу работы они напоминают электрические фильтры, ограничивающие ток в проводах электрической сети. Они есть практически в каждом доме. То же самое происходит и внутри оптических систем: оптические ограничители мощности не позволяют превысить установленную мощность, которая падает на устройство, чтобы не повредить его.
«Теперь нам предстоит понять, как можно наиболее эффективно использовать разработку в нейроморфных компьютерах, которые работают как мозг по принципу нейронной системы. Сейчас нейросети рассчитаны на классические ПК,но их архитектура не совсем подходит для раскрытия всего потенциала искусственного интеллекта. Чтобы увеличить результативность работы нейросетей, нужно запускать их на работающих по схожему механизму устройствах», — говорит о перспективах работы Александр Чернов, руководитель лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ.
