Ученые КНЦ СО РАН научились управлять прозрачностью «ловушки для света»

Возможность управлять с помощью электрического напряжения степенью прозрачности фотонокристаллического микрорезонатора, обычно полностью отражающего свет, вплоть до его полной прозрачности, первыми экспериментально обнаружили и теоретически объяснили физики Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН, 18 ноября сообщает пресс-служба КНЦ СО РАН.

В последнее время в системах связи, вычислительных и сенсорных идет активный переход к передаче информации с помощью света, а не привычных электрических сигналов. Соответственно, реализация таких технологий требует создания компактных и эффективных устройств управления светом.

Существующие решения этой задачи часто бывают дорогостоящими, сложными в изготовлении и энергозатратными, что ограничивает их применение в перспективных технологиях.

Открытие, сделанное учеными КНЦ СО РАН в рамках выполнения проекта РНФ № 24-12-20007 «Оптические микрорезонаторы с электрически и светоуправляемой добротностью», открывает путь к созданию новых энергоэффективных устройств фотоники для систем телекоммуникаций, сенсорики и дисплеев.

Ученые из Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН в ходе экспериментов обнаружили и объяснили ранее неизвестное науке уникальное явление — «индуцированную напряжением прозрачность» в фотонокристаллическом микрорезонаторе.

Обычно микрорезонатор под действием электрического напряжения «захватывает» и удерживает свет. Однако исследователи КНЦ СО РАН нашли способ сделать оптический элемент, который по сигналу подачи электрического напряжения превращается из непрозрачного «зеркала» в прозрачное «окно» для света.

Красноярские физики проводили эксперименты с микрорезонатором, представляющим собой оптический «сэндвич», состоящий из двух многослойных зеркал — одномерных фотонных кристаллов — с тонким слоем жидкого кристалла между ними.

Обычно такой микрорезонатор отражает свет при помощи зеркальных слоев. При определенном угле падения света, зеркала отражают свет с поляризацией, где колебания световой волны идут поперек плоскости падения, но пропускают свет с параллельной поляризацией. Таким образом, микрорезонатор служит «ловушкой для света» определенной длины волны, не давая ему пройти насквозь.

Однако оказалось, что если подать электрическое напряжение на слой жидкого кристалла, то электрическое поле изменяет ориентацию его молекул. Это влияет на прохождение света: резонансы в спектрах исчезают, и микрорезонатор становится прозрачным, как стекло.

Для объяснения этого феномена ученые построили теоретическую модель, с помощью которой выяснили, что причиной возникающей прозрачности является наличие внутри микрорезонатора особой пары оптических резонансов. Один резонанс излучает свет только в одну сторону, но возбуждается с любой из сторон. Другой же возбуждается лишь при освещении с одной стороны, но излучает в обе.

Возбудить второй резонанс не удается, а излучение первого резонанса подавляет отражение так, что создается впечатление, что резонатора нет. Таким образом, красноярские ученые открыли новый способ управлять светом, делая для определенного диапазона волн эту сложную оптическую систему «невидимой».

Руководитель проекта, старший научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН кандидат физико-математических наук Павел Панкин отметил:

«Это прекрасный пример того, как можно управлять светом в открытых системах. Результаты могут найти применение в нескольких ключевых направлениях. В области сенсорики резкое изменение ширины резонансной линии можно использовать для высокочувствительного детектирования примесей в жидкостях или изменения температуры».

Кроме того, такой способ быстрого электрического управления прозрачностью и резонансными свойствами данной структуры может быть использован в новых элементах для систем оптической связи и обработки информации.

В то же время возможность управления добротностью резонатора позволит создавать перестраиваемые лазеры и устройства управления световым пучком, а управление прозрачностью и цветом проходящего света можно применить для создания энергоэффективных дисплеев нового поколения и стекол с регулируемыми свойствами.

«Также важно, что предложенная структура не требует сложных и дорогостоящих технологий и может быть изготовлена с использованием хорошо освоенных технологий производства жидкокристаллических ячеек», — добавил ученый.

Результаты экспериментального этапа проекта исследователи представили в статье «Индуцированная напряжением прозрачность микрорезонатора фотонного кристалла с хиральным жидкокристаллическим слоем» (Voltage-induced transparency of photonic crystal microcavity with chiral liquid crystal layer), опубликованной в журнале Photonics and Nanostructures — Fundamentals and Applications.

Описание теоретического обоснования обнаруженного эффекта ученые дали в статье «Неуправляемые и несвязанные резонансы в микрорезонаторе фотонного кристалла с хиральным слоем» (Uniguided and unicoupled resonances in photonic crystal microcavity with a chiral layer), опубликованной журналом Optics Letters.