В Пенсильванском университете создали один из первых фототранзисторов

Лазер, накачиваемый энергией, на чипе c TFLN

Некогда вокруг нынешнего Измира простиралась обширная область Лидия. И был в ней царь Тантал, прославившийся тем, что приносил только страдания и муки своим подданным. За это он и пострадал – был «сослан» в подземный Аид, где обречен был богами на вечные жажду и голод (отсюда выражение «Танталовы муки»). Царскую дочь, Ниобу, боги тоже наказали, лишив ее детей, после чего несчастная мать обратилась в хладный камень-литос (для сравнения: литосфера; литография; литофиты, растущие на камнях).

Так случилось, что два «каменных» элемента, тантал и ниобий, соединились, дав многообещающий ниобат лития (LiNb). На это вещество ученые возлагают большие надежды. В частности, в отношении моделирования и повторения в промышленных масштабах уникального природного процесса – фотосинтеза.

Возможность улавливать солнечный свет возникла с «изобретением» океаническими одноклеточными организмами особых фотопротеинов (родопсинов) с ионными каналами. Возникающий ионный ток стимулирует фотосинтез. А перепад концентраций кальция, натрия и калия возбуждает нервные клетки, запускающие волну потенциала действия (Ра – Action potential) по своим отросткам. За открытие механизма генерации нервного импульса А. Ходжкин и А. Хаксли были удостоены Нобелевской премии в 1963 году.

Через 40 лет в Стэнфордском университете начались работы в направлении, которое получило название оптогенетика, или метод переноса древних родопсинов в животные клетки. В результате удалось менять поведение лабораторных мышей с помощью лазера, луч которого подается в мозг по оптоволокну. Даже маленьких «элегантных» круглых нематод C. elegns с помощью оптогенетических методов удалось заставить менять свое движение. В этом не было бы ничего удивительного, если бы эти действительно элегантные червячки, имеющие чуть более 1000 клеток, не меняли направление движения в ответ на цвета… светофора!

Частотный TFLN-модулятор, меняющий цветность световой волны с синей на желто-красную.

Техническое развитие привело к созданию полупроводников и на их основе – транзисторов. Это ознаменовало переход к электронике, породившей оптоволоконный интернет с передачей информации посредством света. И вот уже три четверти века идет процесс перехода на фотонику. Но ему мешает давнее открытие Исаака Ньютона, разложившего с помощью стеклянной призмы свет на разные цвета, отличающиеся по частоте или длине волны. Самая длинная из них – у красного и инфракрасного света, который доходит до нас из самых дальних уголков вселенной в силу слабого взаимодействия с материей. По этой причине именно левая часть оптического спектра используется в оптоволоконной физике.

Круглый червячок C. elegns, меняющий направление движения, сообразуясь с сигналами светофора. Иллюстрации Physorg

Конкуренцию создателям сенсора оказывают их коллеги из Гарварда, также использовавшие тонкопленочную технологию TFLN (Thin Film Lithium Niobate), где LN означает ниобат лития (LiNb). Одна из их статей появилась в журнале Optica, другая – в не менее специализированном Light Science & Applications.

Использование LiNb в фотонике позволило создать модулятор частоты для изменения цветности света. При этом если на вход подается синий свет, то на выходе «получается» приемлемый для передачи информации по оптоволокну красный. Авторы подчеркивают, что с помощью нового девайса получили рекордный электронно-оптический shearing одиночных фотонов для телекоммуникации в терагерцовом диапазоне. («Ширингом» стригали называют снятие руна у овец.) Модулятор позволил также получить сжатие полосы пропускания отдельных фотонов в 18 раз. Тем самым появляется возможность осуществить квантово-спектральный контроль в пределах чипа. А это, в свою очередь, обещает реализацию обработки на чипе квантовой информации.

В журнале Optica гарвардцы рассказали о создании на чипе с TFLN электрически накачиваемого лазерного трансмиттера-передатчика. Требуемая для накачки мощность 60 мВт подводилась по оптическим волноводам. Это позволило создать мощный трансмиттер, включающий в себя лазер, интегрированный с модулятором, использующим частоту 50 Гц.