УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
UNIVERSAL FULLY OPTICAL LOGIC ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к полностью оптическим логическим элементам, реализованным с использованием концепции неравновесной конденсации экситон-поляритонов в неосновное состояние.
Предпосылки создания изобретения
Для практических логических схем требуется функционально полный набор булевых операторов, обычно состоящий из двоичного соединения или чередования и отрицания. Полностью оптические транзисторы, работающие по принципу усиления оптического сигнала, легко настраиваются для вентиля двоичного логического умножения («И») или чередования («ИЛИ»). Однако, включение отрицания (выключение оптического сигнала другим оптическим сигналом) является сложной задачей.
Как правило, передовые оптические вентили «НЕ» / «ИЛИ НЕ» основаны на нелинейных оптических явлениях, модулирующих оптический выходной сигнал за счёт слабого входного оптического управляющего сигнала. Полностью оптические универсальные вентили целесообразно разделить на два больших общих класса: 1 - на базе полупроводниковых оптических усилителей (далее - ПОУ), 2 - на других платформах, включая оптоволоконные и волноводные технологии.
Оптические вентили на базе ПОУ обычно основаны на модуляции перекрёстного усиления (XGM) или перекрёстной фазы (XPM). Для первого принципа необходимо реализовать многомодовый режим, когда усиление конкретной моды уменьшается с увеличением интенсивности входного сигнала. Это возможно, если оптические входы перекрёстно связаны, благодаря чему достигается эффективное изменение усиления в определённых модах. Очевидно, работа вентиля «ИЛИ НЕ» возможна для распространяющихся в одном направлении и встречных пучков [1, 2]. Тогда как XGM имеет дело с мнимой частью нелинейной восприимчивости, перекрёстная фазовая модуляция подразумевает изменение показателя преломления посредством модуляции плотности свободных носителей, которая изменяет дисперсию активной среды усилителя. Следовательно, другой пучок, распространяющийся в том же направлении, испытывает спектральную линейную частотную модуляцию, что делает возможной функцию отрицания при высоких частотах повторения. Правильно фильтруя выходной сигнал, реализованы вентили «ИЛИ НЕ», позволяющие обрабатывать сигнал с высокой скоростью - до 40 Гбит/с [3].
Для реализации функции отрицания и работы универсального вентиля могут использоваться оптические волокна. Согласно подходу, рассмотренному в [4], можно обрабатывать оптические сигналы, распространяющиеся в волокне, с помощью определённых тактовых импульсов, распространяющихся по тому же волокну, но имеющих немного другую частоту. В процессе невырожденного четырёхволнового смешения (NFWM) формируются новые компоненты сигнального пучка, эффективно снижающие начальную интенсивность. Таким образом, был успешно реализован полностью оптический вентиль «НЕ».
Другой нелинейный эффект, используемый для функции отрицания выходного оптического сигнала в двулучепреломляющих волокнах, представляет собой нелинейное вращение поляризации (НВП). Линейно поляризованный пучок накачки индуцирует нелинейный фазовый сдвиг между двумя осями поляризации двулучепреломляющего волокна. Наряду с пучком накачки вводится дополнительный зондирующий пучок, вектор поляризации которого повернут на 45° относительно накачки. При правильной настройке интенсивности пучка накачки вектор поляризации зонда поворачивается на 90°. Таким образом, поместив поляризатор в выходной порт, можно наблюдать функциональность вентиля «ИЛИ НЕ», как описано в [5].
Одним из основных недостатков этих подходов является необходимость устранения дисперсионного уширения импульса, что существенно ограничивает скорость обработки сигнала. Кроме того, высокая оптическая интенсивность, необходимая наряду с задержкой, и большая занимаемая площадь делают волокна неэффективными для таких типов применения.
2
В качестве альтернативы можно использовать волноводы из кремниевого провода с сильным волноводным оптическим эффектом. Небольшая эффективная модальная площадь (< 0,1 мкм) снижает интенсивность нелинейных управляющих сигналов. В статье [6] авторы использовали двухфотонное поглощение (ДФП) в кремнии для создания полностью оптического вентиля «ИЛИ НЕ». Согласно статье [6], два закодированных сигнальных импульса, вводимых в волновод, позволяют модулировать непрерывный световой сигнал. На основании этого принципа был продемонстрирован вентиль «ИЛИ НЕ» с рабочей скоростью 80 Гбит/с. Одним из общепризнанных ограничивающих факторов такого подхода является накопление свободных носителей из-за процесса ДФП [6].
Внешняя синхронизация диодного лазера с Фабри-Перо резонатором представляет собой ещё один хорошо разработанный способ построения полностью оптической логики отрицания. Обычно преобладает мода лазерной генерации. Однако, как только сигнальные пучки правильно вводятся в резонатор, это может привести к коллапсу генерации от преобладающей моды к другой лазерной моде соответственно, что снижает интенсивность основной моды. Такая конструкция допускает работу вентилей «ИЛИ НЕ» / «НЕ» с чрезвычайно высоким коэффициентом погашения (более 40 дБ). Очевидный недостаток подхода связан с длительным временем релаксации инверсии заселённости, необходимым для любого обычного лазера. Это ограничивает скорость обработки сигнала до уровня 10 Гбит/с [7].
Из уровня техники известны поляритонные транзисторы, работа которых включает коммутацию, усиление и некоторые функциональные возможности логического вентиля [8, 9] и была продемонстрирована в полупроводниковых микрорезонаторах III-V при криогенных температурах.
-1
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является работа полностью оптического поляритонного транзистора с использованием свойств органических полупроводниковых полимеров при комнатной температуре с субпикосекундным временем коммутации, рекордным чистым усилением ~ 10 дБ мкм и возможностью каскадирования полностью оптических логических вентилей, хотя и не полной [10]. Была продемонстрирована неравновесная конденсация поляритонов в органических полупроводниковых микрорезонаторах, в которой оптический импульс резонансно вводит поляритоны в основное состояние, чтобы стимулировать релаксацию поляритонов из некогерентного экситонного резервуара. Было показано, что затравка основного поляритонного состояния снижает порог конденсации и резко увеличивает скорость экситонно-поляритонной релаксации. Используя подобные транзисторы, были собраны прототипы световых логических устройств, способных выполнять операции «И» и «ИЛИ».
Однако основная функция отрицания, важная составляющая полной логики, оставалась недостижимой. Настоящее изобретение посвящено решению всех перечисленных выше проблем.
Суть изобретения
Технической проблемой настоящего изобретения разработка универсального поляритонного вентиля, который позволяет реализовать любую комбинаторную логическую функцию с высокой скоростью переключения, предлагая при этом ключевой компонент для полностью оптической полной логической схемы при комнатной температуре, реализованный в микрорезонаторе с оптимальной добротностью на основе органического полупроводникового полимера.
Технический результат настоящего изобретения состоит в реализации универсального поляритонного логического вентиля в виде истинностно-функционального оператора «ИЛИ НЕ» на основе концепции неравновесной конденсации поляритонов в неосновное состояние с высоким быстродействием.
В первом аспекте настоящего изобретения технический результат обеспечивается за счет того, что полностью оптический логический элемент, сконфигурированный для выполнения управляемой логической функции «НЕ», с использованием экситонных поляритонов, включает органический полупроводниковый образец, помещенный в микрорезонатор, обладающий добротностью в диапазоне от 500 до 600, когерентный источник непрерывной оптической накачки для формирования экситонного резервуара путем нерезонансного возбуждения образца, с энергией пучка накачки, чтобы обеспечить условие спонтанной конденсации экситонных поляритонов из экситонного резервуара, источник излучения одного затравочного пучка импульсов для стимуляции процесса релаксации горячего экситона в неосновное состояние нижней поляритонной ветви, при этом энергия нерезонансной оптической накачки настроена на один вибронный квант энергии выше энергии затравки, причем при постоянной оптической накачке на выходе логического элемента присутствует логическая единица, а затравочный пучок действует как управляющий входной сигнал, который переключает выходной сигнал между состояниями «1» и «0».
Во втором аспекте настоящего изобретения полностью оптический логический элемент, сконфигурированный для выполнения управляемой логической функции «ИЛИ НЕ», с использованием экситонных поляритонов, включает органический полупроводниковый образец, помещенный в микрорезонатор, обладающий добротностью в диапазоне от 500 до 600, когерентный источник непрерывной оптической накачки для формирования экситонного резервуара путем нерезонансного возбуждения образца, с энергией пучка накачки, чтобы обеспечить условие спонтанной конденсации экситонных поляритонов из экситонного резервуара, источник излучения двух затравочных пучков импульсов для стимуляции процесса релаксации горячего экситона в неосновное состояние нижней поляритонной ветви, при этом энергия нерезонансной оптической накачки настроена на один вибронный квант энергии выше энергии затравки, причем при постоянной оптической накачке на выходе логического элемента присутствует логическая единица, а каждый затравочный пучок действует как управляющий входной сигнал, который переключает выходной сигнал между состояниями «1» и «0».
В некоторых вариантах осуществления изобретения материалом образца является полимер с жестким молекулярным остовом и с развитой электронной структурой молекул полимера с сопряженными связями. Например, материал, который обладает константой связи экситонов с молекулярными колебаниями 0,5 мэВ.
В некоторых вариантах осуществления изобретения что материалом образца является метил-замещенный полипарафенилен.
В некоторых вариантах осуществления изобретения угол между пучком оптической накачки и образцом составляет 45 градусов.
В некоторых вариантах осуществления изобретения угол падения каждого из затравочных пучков может быть задан независимо и контролируется посредством оптической схемы, включающей в себя приводную линию задержки.
В некоторых вариантах осуществления изобретения приводная линия задержки представляет собой электроприводной трансляционный столик с ретрорефлектором.
В некоторых вариантах осуществления изобретения длительность импульсов оптической накачки лежит в диапазоне от 100 фс до 200 фс.
В некоторых вариантах осуществления изобретения когерентным источником непрерывной оптической накачки является перестраиваемый оптический параметрический усилитель, возбуждаемый высокоэнергетическим регенеративным титан-сапфировым (Ti:Sapphire) усилителем с произвольной частотой в диапазоне от 0 до 1000 Гц.
В некоторых вариантах осуществления изобретения затравочные пучки или один затравочный пучок создаются путём генерации континуума белого света в сапфировой пластине, возбуждаемой ультракороткими импульсами с длиной волны 800 нм и длительностью 150 фс
В некоторых вариантах осуществления изобретения время переключения между выходными сигналами составляет 500 фс.
Настоящее изобретение основано на концепции неравновесной конденсации поляритонов в неосновное состояние, чтобы реализовать функцию отрицания для излучения поляритонного конденсата в основное состояние в конфигурации, которая не зависит от когерентной интерференции световых лучей.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.
Рисунок 1. Схема эксперимента. Отфильтрованный белый свет (широкополосный континиум белого света) делится на два пучка затравки «A» и «B». Используются линии переменной задержки в каждом плече для максимального улучшения временного перекрытия между накачкой и обоими затравочными пучками.
Рисунок 2. Динамическая конденсация поляритонов в неосновное состояние.
10
11
||
накачка
-1
-2
P
(A) Сильная связь моды оптического резонатора и двух подуровней первого возбуждённого синглетного состояния органического полупроводника (горизонтальные пунктирные линии, S и S) приводит к появлению трёх поляритонных ветвей: верхняя (UPB) /средняя (MPB) / нижняя (LPB) поляритонная ветвь показана зелёным /красным /фиолетовым цветом соответственно в зависимости от волнового вектора в плоскости (импульс поляритона в плоскости - верхняя ось) и угла (относительно нормали к плоскости резонатора - нижней оси). Оптическая накачка настроена на 2,8 эВ, формируя «горячие» экситоны, обозначенные синей заштрихованной областью. Затравочный пучок вводит несколько поляритонов резонансно при k = ~-2,55 мкм. Была выбрана расстройка энергий экситона и моды резонатора так, чтобы энергия поляритонного состояния, сформированного затравочными пучками, отставала ровна на один квант самого интенсивного молекулярного колебания (виброна) 200 мэВ ниже горячих экситонов, введённых накачкой. Релаксация энергии из резервуара горячих экситонов происходит с испусканием одного виброна (чёрная сплошная вертикальная стрелка) и стимулируется падающей оптической затравкой, изображённой красной стрелкой. На рассчитанную более низкую дисперсию поляритонов в пунктирной рамке накладывается нормализованная интенсивность излучения в конфигурации накачки-затравки при  = 200 мкДж см.
||
||
-1
-1
(B) Выходное излучение от k = ~-2,55 мкм, которое интегрируется по углу ~ k ∍ (-2,96; -1,86) мкм в зависимости от плотности потока энергии возбуждения накачки при нулевой временной задержке накачки-затравки. Серая заштрихованная область обозначает динамический порог конденсации, а горизонтальная пунктирная линия - уровень зафиксированной интенсивности только от затравки.
(C) Спектральные характеристики излучения: энергия фотонов излучения на максимуме спектра излучения (левая/синяя ось) и полная ширина на полувысоте (FWHM, правая/красная ось) в зависимости от плотности энергии возбуждения накачки при нулевой временной задержке накачки-затравки.
-1
-1
||
Рисунок 3. Истощение основного поляритонного состояния. Излучение конденсата в основном состоянии, отфильтрованное через ~±1 мкм в зависимости от энергии затравки и плотности потока энергии затравки при нулевой временной задержке накачки-затравки для одного (A) и двух (A, B) затравочных импульсов. Затравочные импульсы имеют равную мощность и резонансно вводят поляритоны на противоположных волновых векторах в плоскости (k = ~ ± 2,55 мкм). Серые заштрихованные области обозначают пороговую мощность затравки. Вставные таблицы в (A) и (B) представляют собой таблицы истинности для логических вентилей «НЕ» и «ИЛИ НЕ» соответственно.
Рисунок 4. Гибкость поляритонного вентиля «ИЛИ НЕ». Вентиль работает при комнатной температуре в широком диапазоне затравочных состояний, что позволяет настраивать энергию затравочных пучков. Эффективность переключения постепенно уменьшается с увеличением k|| (нижняя ось Х), по мере потери резонанса с виброном при состояниях поляритонов с более высокой энергией. Верхняя ось Х обозначает энергии соответствующих состояний поляритонов, резонансно вводимых затравочным пучком.
Рисунок 5. Универсальный поляритонный вентиль. Нормализованное излучение нелинейной дисперсии нижних поляритонов в четырёх конфигурациях управляющих входов, указанных на каждой панели. Чёрная пунктирная линия - это параболическая аппроксимация линейной дисперсии, иллюстрирующая коротковолновый сдвиг поляритонной дисперсии в нелинейном режиме. На грани каждой схемы наложено соответствующее изображение поляритонной дисперсии, а красные стрелки указывают на соответствующий пространственный профиль излучения (~ 20 x 20 микрометров).
Рисунок 6. Спектр затравочных пучков (синий) после прохождения короткопроходных фильтров, которые отсекают фотоны низкой энергии, чтобы предотвратить рассеяние затравки с энергией, соответствующей k|| = 0. Заштрихованные серым области показывают типичные энергетические зоны основного состояния, а также исследуемых состояний поляритонов с ненулевым импульсом.
Рисунок 7. Переходная динамика универсального вентиля. Излучение в зависимости от времени задержки между импульсами затравки и накачки. Полная ширина полуминимума временного отклика составляет ~500 фс. Энергия импульса управляющего пучка (т. е. энергия коммутации) составляет ~10 пДж.
Рисунок 8. Зависимость интегральной интенсивности соседних сигналов на выходе логического элемента в зависимости от расстояния между ними, выраженного во временной задержке.
Термины и определения
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.
«включает»
«включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий»
В настоящем описании и в формуле изобретения термины ,  и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».
«поляритон»
В настоящем описании и в формуле  является квазичастицей, представляющей собой квантовую суперпозицию фотонной и экситонной компонент в твердом теле.
«соединенный»
Термин  означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).
«первый», «второй», «третий» и т.д.
Кроме того, термины используются просто как условные маркеры, не накладывая каких-либо численных или иных ограничений на перечисляемые объекты.
Подробное описание изобретения
Настоящая заявка направлена на разработку универсального поляритонного вентиля, который позволяет реализовать любую комбинаторную логическую функцию, предлагая ключевой компонент для полностью оптической полной логической схемы.
Вентили «И НЕ» и «ИЛИ НЕ» называются универсальными вентилями, потому что несколько экземпляров одного и того же вентиля могут быть каскадированы (несколько вентилей подключены друг к другу) для выполнения любой комбинаторной логической функции. Масштабируемость эффективно требует подключения выхода одного транзистора ко входу нескольких других, обычно это процесс с потерями. В этом случае для транзистора критически важно преодолеть потери при межсоединениях, усилив свой входной сигнал до гораздо более сильного выходного сигнала. Изобретение, раскрытое в настоящей заявке, направлено на разработку «универсального логического вентиля», из которого могут быть построены все другие логические операции, путем каскадирования без потерь.
Базовая архитектура полностью оптических транзисторов обычно включает в себя оптический резонатор (резонатор, фотонный кристалл или иное) и нелинейный оптический процесс в форме восприимчивости более высокого порядка или оптического резонанса в атомарных газах или полупроводниках. Как таковые полупроводниковые микрорезонаторы предлагают очевидную полностью оптическую транзисторную платформу. Когда взаимодействие света с веществом превышает потери фотонов, в таких микрорезонаторах фотоны и экситоны образуют новые собственные состояния, так называемые поляритоны [11].
Поляритонные транзисторы используют усиление сигнала, которое происходит за счёт неравновесной конденсации Бозе - Эйнштейна, динамического формирования макроскопически когерентной волновой функции в основном поляритонном состоянии. Вентиль «НЕ» потребует когерентного управления поляритонной волновой функцией [12], механизмом, для которого необходимы стабилизированная интерферометрия и критическое смещение уровня задействованных оптических импульсов, что делает такую операцию непрактичной для логических схем.
Для преодоления данного препятствия для реализации функции отрицания для излучения поляритонного конденсата в основное состояние в конфигурации, которая не зависит от когерентной интерференции световых лучей, используется концепция неравновесной конденсации поляритонов в неосновное состояние.
Для этого предъявляются минимальные требования к используемому физическому принципу:
- энергия экситонного резервуара, возбуждаемая пучком оптической накачки, должна быть на энергию одного кванта молекулярного колебания выше, чем возбужденное состояние для конденсата поляритонов, которое засеивается затравочным пробным пучком,
- для стимулирования конденсации поляритонов в возбужденное состояние за счет формирования населенности в заданном состоянии используется внешний слабый оптический затравочный пучок, при этом затравочный пучок должен обладать определенной энергией, значение которой лежит на нижней поляритонной кривой LPB, и определенным углом. При изменении угла падения затравочного пучка на образец, изменяется энергия затравочного пучка в соответствие с энергией нижней поляритонной ветви,
- энергия пучка накачки должна быть выше определенной, необходимой для конденсации поляритонов, из горячего экситонного резервуара. Количество света, необходимое для создания экситонного резервуара, должно быть выше порогового значения.
Минимальные условия, которые предъявляются к физической системе:
1. Для выполнения условия резонанса с квантом молекулярного колебания подбирают определенную длины волны пучка накачки, который формирует резервуар экситонов, такую, чтобы разница между величиной энергии затравочного пучка и энергия кванта света составляла один квант молекулярного колебания, составляющий 200 мэВ.
2. Для эффективного уменьшения отражательной способности образца используется оптимальный угол, под которым направляют пучок накачки, с помощью которого формируют резервуар экситонов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения данный угол составляет 45 градусов.
С целью реализации работы вентилей «И НЕ» и «ИЛИ НЕ» при комнатной температуре настраивают затравочный импульс для резонансного введения поляритонов с ненулевым импульсом в плоскости, чтобы стимулировать неравновесную конденсацию поляритонов в неосновное состояние со спонтанной конденсацией в основное состояние.
Чтобы исследовать образование динамической конденсации поляритонов в неосновное состояние использовалась следующая экспериментальная схема с использованием полупроводникового полимерного микрорезонатора. Один из вариантов осуществления экспериментальной схемы (с использованием двух затравочных импульсов) изображен на рисунке 1. Другой вариант осуществления, с использованием одного затравочного импульса, изображен на рисунке 3А.
||
Схема в обоих вариантах осуществления изобретения включает, не ограничиваясь, когерентный источник излучения накачки для формирования путем нерезонансного возбуждения в органическом полупроводниковом образце поляритонных конденсатов, микрорезонатор, источник излучения для излучения затравочных пучков для стимуляции релаксации горячих экситонов к поляритону, объектив, короткопроходный k-фильтр.
Приведенные ниже конкретные параметры оптической системы, не являются уникальными, возможны иные реализации, которые удовлетворяют вышеуказанным требованиям.
n
w
2
2
2
2
5
2
2
5
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, не ограничиваясь, центр микрорезонатора состоит из полимерного слоя, чистой плёнки из метил-замещенного полипарафенилена (MeLPPP; M = 31500, M = 79000) толщиной около 35 нм (может быть измерена профилометром Veeco Dektak), заключённой между промежуточными слоями из распыленного SiO толщиной 50 нм. Промежуточные слои наносятся на полимерный материал с использованием мишени для распыления SiO, а не с использованием нереактивного ионного распыления. Промежуточные слои в свою очередь расположены между распределёнными брэгговскими отражателями (РБО) из SiO/TaO, нанесёнными на оптически плоскую подложку из плавленого кварца. РБО состоят из чередующихся четвертьволновых слоёв SiO/TaO, полученных методом напыления (9 + 0,5 пары для нижнего РБО, 6 + 0,5 для верхнего РБО).
В качестве материала образца могут быть использованы другие полимерные материалы, аналогичные по типу, к которым предъявляются определенные физические требования. Материал должен обладать достаточно высокой константой связью экситонов с молекулярными колебаниям, в частности, константа связи, сила связи экситона с виброном, должна быть выше заранее определенной. Например, в некоторых вариантах осуществления константа связи может быть порядка 0.5 мэВ. Вещество образца должно обладать высоким квантовым выходом (больше 10%), микрорезонатор должен обладать достаточной добротностью для осуществления режима сильой связи света с веществом. В данном случае добротность должна быть больше 40. Материалом может быть выбран полимер с развитой электронной структурой молекул полимера с сопряженными связями, которая в невозбужденном состоянии находится в равновесии. Материал должен обладать жестким молекулярным остовом.
В предпочтительном варианте осуществления, не ограничиваясь, импульс накачки длительностью ~200 фс обеспечивается перестраиваемым оптическим параметрическим усилителем (Coherent OPerA SOLO), возбуждаемым высокоэнергетическим регенеративным титан-сапфировым (Ti:Sapphire) усилителем (Coherent Libra-HE) с частотой в диапзоне от 0 до 1000 Гц. Пучок спектрально фильтруется, обеспечивая полную ширину на полувысоте (FWHM) 25 мэВ. Импульсы фокусируются на образец линзой 50 мм под углом 45°. Накачка имеет эллиптический профиль с размером пятна ~40 и 26 мкм.
Однако, возможно использовать любой другой перестраиваемый когерентный источник света, чтобы выполнялось условие одноступенчатой конденсации поляритонов за счет колебательных переходов молекул. При этом резонансное возбуждение предполагает не только точно заданную длину волны, но и определенный угол падения пучка на поверхность микрорезонатора. Длительность импульса оптической накачки на выходе из перестраиваемого когерентного источника света фиксированная и лежит в диапазоне от 100 фс до 200 фс, однако, имеется возможность изменять ее в широком диапазоне (до 10 пс) за счет использования пассивных оптических элементов с заданной дисперсией групповой скорости (GVD).
Затравочные пучки или один затравочный пучок создаются путём генерации континуума белого света (КБС) в сапфировой пластине, возбуждаемой ультракороткими (~100 фс) импульсами 800 нм. Затем КБС спектрально фильтруется, что приводит к широкополосному (2,59-2,7 эВ) излучению. Затравочные импульсы или затравочный импульс фокусируются на образце объективом (10x Nikon, 0,3 NA), в результате чего размер пятна составляет ~25 мкм.
Необходимо отметить, что поляризация затравочного импульса должна совпадать с поляризацией оптической накачки. При конфигурации возбуждения под углом 45 градусов, была выбрана горизонтальная поляризация, так как обеспечивала максимальную эффективность переключения. Однако возможны альтернативные схемы с нормальным падением оптической накачки, в таком случае поляризация пучков может быть произвольной, но одинаковой. Важно, чтобы поляризация была линейная. В случае линейной поляризации оптической накачки было обнаружено, что выше порога конденсации излучение наследует поляризацию накачки, тогда как ниже порога оказывается полностью неполяризованным. Такое поведение связано с наличием межмолекулярных взаимодействий, которые приводят к переносу энергии с одной молекулы на другую. При возбуждении круговой поляризаций, излучение ниже порога является неполяризованным, в то время как выше порога наблюдается стохастическое поведение: поляризация изменяется прыжками от одного значения к другому. Стохастическое поведение можно наблюдать только в режиме возбуждения и детектирования одиночных импульсов, в случае возбуждения и детектирования серией импульсов данные особенности усредняются, так что в среднем получается неполяризованное излучение. Роль поляризации пучков обусловлена тем, что базис собственных поляризаций оптических переходов в органических материалах является линейным, что и определяет преимущественно линейную поляризацию излучения. Малое межмолекулярное расстояние в плотных органических пленках приводит к быстрому перераспределению энергии между всеми возможными молекулами вне зависимости от исходной ориентации напряженности электрического поля накачки, в результате, ниже порога излучение оказывается неполяризованным. По этой причине, для того чтобы достичь максимального эффекта от затравочного пучка и минимизировать нежелательный процесс переноса энергии между молекулами необходимо использовать соноправленные линейные поляризации для затравочного и накачивающего оптических пучков.
В одном из вариантов осуществления изобретения, когда используются два затравочных пучка, КБС, который генерируется в сапфировой пластине, разделяется с помощью светоделительного куба на два пучка с равной интенсивностью, в частности, на затравочные пучки «A» и «B». После этого оба затравочных пучка фокусируются на образце с помощью одного и того же объектива (рис. 1).
Угол падения одного затравочного пучка регулируется посредством одного электроприводного трансляционного столика с ретрорефлектором, который позволяет регулировать временную задержку между импульсами накачки и затравки.
В варианте осуществления изобретения, когда на образец направляют два затравочных пучка, для управления временным перекрытием между накачкой и обоими затравочными пучками используют две приводные линии задержки в оптических путях обоих затравочных пучков соответственно - столы поступательного перемещения, оборудованные ретрорефлекторами, как показано на рис. 1. В качестве альтернативной реализации можно использовать аналогичную оптическую линию задержки в пути оптической накачки. Вместе ретрорефлектора можно использовать два зеркала, настроенных таким образом, чтобы при смещении линии задержки оптический пучок накачки не изменял бы своего положения на экспериментальном образце.
Для осуществления пространственного перекрытия между пучками накачки и по меньшей мере одним затравочным пучком, возможно использовать стандартные держатели зеркал с микрометровыми винтами регулировок, а также обеспечить достаточное оптическое увеличение системы, так чтобы пространственное разрешение на камере составляло порядка 1-2 микрометров.
k
k
||
||
1
Выходное излучение собирается с помощью объектива (10x Mitutoyo Plan Apo, NA = 0,28) и соединяется со спектрометром (Princeton Instruments SP2750) посредством устройства электронного умножения с зарядовой связью (EMCCD) (Princeton Instruments ProEM 1024BX3). Спектральное разрешение излучения осуществлялось с помощью решётки 1200 штрихов/мм с шириной щели 200 мкм на входе в спектрометр. Дополнительная спаренная линза диаметром 1000 мм используется для проецирования плоскости Фурье собирающего объектива на щель. Излучение фильтруется в плоскости Фурье объектива короткопроходным -фильтром, который отсекает свет с импульсом в плоскости > 1 мкм
Схема оптического возбуждения, которое формирует резервуар горячих экситонов, на которую накладывается дисперсионное уравнение исследуемой поляритонной системы, показана на рис.2. Оптическая накачка направлена под углом 45 градусов с энергией фотонов 2,8 эВ, эффективно вводя «горячие» экситоны, обозначенные синей заштрихованной областью.
10
11
Сильная связь моды резонатора (2,65 эВ) и двух подуровней первого возбуждённого синглетного состояния MeLPPP (S при 2,72 эВ и S при 2,91 эВ) приводит к появлению трёх поляритонных ветвей, показанных на рис. 2А, демонстрируя расщепление Раби между средней (MPB) и нижней (LPB) поляритонными ветвями.
Стимулированный затравочным импульсом и опосредованный вибронами процесс релаксации горячего экситона к поляритону показан чёрной сплошной вертикальной стрелкой. При этом, для обеспечения одноступенчатой релаксации энергии, опосредованную виброном, из резервуара горячих экситонов, энергия нерезонансной оптической накачки (2,8 эВ) настроена на один вибронный квант энергии (0,2 эВ) выше энергии затравки (2,6 эВ).
-1
Для доступа к неосновным поляритонным состояниям в пределах нижней поляритонной ветви (LPB) оптимизируется пространственное перекрытие между импульсом накачки, который формирует конденсат поляритонов в основном состоянии, и затравочным импульсом, при этом сохраняется разность их энергий, путём настройки энергии затравки в резонансе с нижней поляритонной ветвью на волновом векторе в плоскости ~- 2,55 мкм (см. рис. 2A).
На рис. 2В показана зависимость плотности возбуждения нерезонансной накачки от интенсивности излучения, резонансной затравочному импульсу, при нулевой временной задержке импульса затравки. Горизонтальная пунктирная линия обозначает интенсивность передачи только затравки, а серая заштрихованная область представляет собой пороговую плотность возбуждения.
||
зонд.
-1
2
k
Измерения зависимости мощности накачки (рис. 2B, C) получены путём интегрирования выходного излучения в пределах ~ k ∍ (-2,96;-1,86) мкм вокруг  Плотность возбуждения оптического импульса затравки фиксирована на уровне 45 нДж см.
Для получения плотности падающего возбуждения импульса накачки средняя мощность накачки измеряется с помощью калиброванного кремниевого фотодетектора (Thorlabs-Det10/M) и осциллографа (Keysight DSOX3054T). Проверка точности измерения мощности осуществляется с помощью измерителя мощности: датчика мощности на базе кремниевого фотодиода (Thorlabs-S120VC) с консолью (Thorlabs-PM100D).
На рис. 2C показана соответствующая полная ширина на полувысоте (FWHM) и энергии излучения на максимуме спектра излучения. На пороге наблюдается коллапс FWHM и коротковолновый сдвиг энергии, указывающий на образование конденсата поляритонов, резонансного затравке.
-1
При нерезонансной оптической накачке на пороге конденсации полная ширина на полувысоте (FWHM) поляритонной волновой функции в основном состоянии в пространстве Фурье составляет ~ 0,49 мкм (см. рис. 2B).
k
||
2
Анализ излучения, проинтегрированного по , чётко показывает суперлинейный рост населенности поляритов выше порога ~160 мкДж см (рис. 1В), сопровождаемый значительным сужением линии и сдвигом энергии (рис. 2C) - общепризнанные особенности конденсации поляритонов в органических микрорезонаторах.
Таким образом, для стимулирования неравновесной конденсации поляритонов в неосновное состояние в конкуренции со спонтанной конденсацией в основное состояние необходимо настроить энергию нерезонансной оптической накачки на один вибронный квант энергии выше энергии затравки.
Ниже подробно продемонстрированы поляритонные вентили «НЕ» и «ИЛИ НЕ».
th
Исследована зависимость интенсивности излучения конденсата поляритонов в основное состояние, индуцированного накачкой, в зависимости от затравочной мощности. В отсутствие затравочного импульса и при плотности возбуждения, примерно вдвое превышающей пороговое значение для динамической конденсации P, нерезонансная оптическая накачка вызывает конденсацию поляритонов в основное состояние.
Интенсивные вибронные резонансы MeLPPP облегчают конденсацию поляритонов даже без какой-либо предварительной подготовки с заполнением поляритонов. Опираясь на одноступенчатый процесс релаксации экситона к поляритону, опосредованный вибронами, реализована конденсация поляритонов без затравки, которую используют в предлагаемой бинарной логике в качестве высокого уровня - «1».
-1
На рис. 3A показана интенсивность излучения, индуцированного только оптической накачкой поляритонного конденсата в основное состояние, отфильтрованная под углом при нормальном падении, k|| = 0, с шириной ~ 2 мкм в зависимости от затравочной мощности для нулевой задержки затравки накачки.
th
Плотность возбуждения накачки поддерживается постоянной на уровне P ~ 2P для конденсации только накачкой, приводящей систему в режим насыщения, чтобы свести к минимуму помехи, вызываемые флуктуациями интенсивности лазера. С увеличением мощности затравки наблюдается чёткий порог, обозначенный серой заштрихованной областью, выше которого интенсивность излучения основного состояния монотонно уменьшается.
В присутствии затравочного импульса релаксация поляритонов в неосновное поляритонное состояние более эффективна, чем в основное поляритонное состояние, что приводит к коэффициенту переключения интенсивности ~ 50 раз, рассчитанному по отношению интегральной интенсивности излучения с использованием затравочного импульса и без. Эта зависимость иллюстрирует поляритонный вентиль «НЕ», где луч накачки формирует рабочую точку транзистора, а затравка действует как управляющий входной сигнал, который переключает выходной сигнал между состояниями «1» и «0».
Основываясь на концепции неравновесной конденсации поляритонов в неосновное состояние, ниже продемонстрирован двухканальный вентиль «ИЛИ НЕ».
k
-k
B
A
B
A
-1
Для этого в экспериментальную схему добавлен второй затравочный пучок, вводящий поляритоны резонансно с противоположным импульсом в плоскости, для того чтобы избежать эффектов интерференции между управляющими синалами т. е.  = , как схематично показано на рис. 3В. На протяжении всего исследования мощности обоих затравочных пучков одинаковые. Оба затравочных пучка имеют угол падения ~ 11° по модулю, но с противоположными импульсами, например: k = -k ~-2,55 мкм.
-1
На рис. 3В показана интенсивность излучения, индуцированного только оптической накачкой, конденсата поляритонов в основное состояние, отфильтрованная под углом при нормальном падении, k|| = 0, с полной шириной на полувысоте (FWHM) ~ 2 мкм в зависимости от мощности затравки для нулевой задержки между накачкой и затравочным пучком.
th
Плотность возбуждения накачки поддерживается постоянной на уровне P ~ 2P для конденсации только накачкой, приводящей систему в режим насыщения, чтобы свести к минимуму помехи, вызываемые флуктуациями интенсивности лазера.
Аналогично эксперименту с одной затравкой, с увеличением мощности затравки наблюдается чёткий порог, изображённый серой заштрихованной областью, выше которого интенсивность излучения монотонно уменьшается. В присутствии двух затравок релаксация поляритонов в неосновное поляритонное состояние становится более эффективной, чем в основное поляритонное состояние, что приводит к коэффициенту переключения ~ 60 раз, рассчитанному по отношению интегральной интенсивности излучения с использованием затравочного импульса и без. Очевидно, две затравки действуют как управляющие входные сигналы для поляритонного вентиля «ИЛИ НЕ».
Исследуя допустимость эффекта в отношении угла падения затравочных пучков, можно дополнительно расширить функциональность поляритонного вентиля «ИЛИ НЕ». Для этого измеряют эффективность переключения для вентиля «ИЛИ НЕ», то есть отношение между выходным сигналом высокого и низкого уровней, выраженное в дБ, в зависимости от импульса в плоскости резонансно введённых поляритонов одним из затравочных пучков.
На рис. 4 показана гибкость вентиля в широком диапазоне затравочных состояний, что позволяет настраивать энергию затравочных пучков. Видно, что погашение постепенно уменьшается с увеличением k|| (нижняя ось Х), по мере потери резонанса с виброном для поляритонных состояний с более высокой энергией.
kx, ky
k
||
На рис.5 показан пространственный профиль интенсивности излучения для четырёх входных конфигураций двух управляющих пучков и соответствующие дисперсии, демонстрирующие, что при наличии любого из входных сигналов неравновесная конденсация в неосновном состоянии заменяет спонтанную конденсацию в основном состоянии, что приводит к таблице истинности (1000) универсального логического вентиля «ИЛИ НЕ». Данные реального пространства, отображающие функциональность логического элемента «ИЛИ НЕ» (рис. 5), получены с помощью угловой фильтрации плоскости Фурье с использованием диафрагмы качестве двумерного короткопроходного фильтра , и представляют интенсивность излучения, собранного =0, отражающего заселённость основного поляритонного состояния. Пучок КБС при этом спектрально фильруется с помощью короткопроходного фильтра, чтобы избежать затравки нижележащих поляритонных состояний через возможные моды утечки и дефекты образца (в частности, состояния около k| = 0).
k
||
На рис. 6 показан спектр затравочных пучков относительно типичных энергетических зон основного состояния, а также исследуемых состояний поляритонов с ненулевым импульсом, изображающий полное подавление паразитного рассеяния затравочных пучков поблизости основного поляритонного состояния при =0 (2,59 эВ).
Важным отличием заявленного изобретения от предыдущей реализации логических вентилей «И/ИЛИ» является то, что частоту повторения этого универсального логического вентиля не ограничивает относительно медленная динамика экситонного резервуара в случае, когда конденсат не сформирован, то есть, для уровня логики «0».
С вентилем «ИЛИ НЕ» поляритонный конденсат всегда присутствует независимо от логических уровней, но формируется с явно разными волновыми векторами для «0» и «1». Это позволяет осуществлять переключение с субпикосекундным временем отклика, ~ 500 фс. Такое быстродействие достигается за счёт быстрой депопуляции возбуждённого состояния вследствие бозонной стимуляции в моду с макроскопической населенностью поляритонов.
Ниже представлено исследование переходной динамики работы вентиля путём задержки затравочного импульса относительно импульса накачки. На рисунке 7 показано излучение, зарегистрированное при k|| = 0 как производная задержки. В отличие от принудительной конденсации поляритонов в основное состояние, наблюдается обратный эффект истощения заполнения поляритонами в состоянии, близком к нулевой задержке. Уменьшение заполнения является результатом конкурентного процесса, а именно, стимуляции возбуждающего состояния, запускаемой затравочным импульсом. Количественное сравнение переходной динамики с помощью полуширины на полувысоте для стимулированной основной и возбуждённой конденсации поляритонов соответственно указывает на одинаковое время отклика ~500 фс.
Сверхбыстрая динамика резервуара экситонов, определяемая процессом стимулированной конденсации, а также коротким временем жизни поляритона ~100 фс, приводит к субпикосекундному времени коммутации. Таким образом, скорость поляритонного вентиля на несколько порядков выше по сравнению с существующими традиционными оптическими логическими платформами.
Помимо такого параметра как время переключения, который является мерой того, как быстро устройство переключится из состояния «1» в состояние «0» и обратно (рис 7) под действием затравочного пучка, который является управляющим сигналом, быстродействие устройства определяется также вторым параметром - минимальная задержка между соседними сигналами (импульсами). Второй параметр показывает, при какой минимальной задержке между соседними импульсами накачки возможна работа устройства без накопления сигнала от одного импульса к другому, то есть, работа без ошибок. При оценке быстродействия оба параметра играют важную роль.
Согласно настоящему изобретению высокая скорость работы вентиля «ИЛИ НЕ» и вентиля «НЕ» обеспечивается оптимальной добротностью моды микрорезонатора, которая лежит в диапазоне от 500 до 600 и обеспечивает минимальное допустимое расстояния между соседними логическими импульсами не более 1 пс.
Данные, полученные в результате проведения численного эксперимента отражены на рис. 8, который показывает интегральную интенсивность соседних сигналов в зависимости от расстояния между ними, выраженного во временной задержке. Для этого была построена математическая модель, которая воспроизводит процесс неравновесной конденсации, определены параметры этой модели на основе проведенных ранее экспериментов, после чего произведен расчет для добротности 600. Реальный образец имеет добротность 500-600 в зависимости от положения пучков на образце. Как видно из рис.8, в том случае, если добротность будет больше, кривая будет проходить шире, и задержка между импульсами станет больше 1 пс, что не позволит обеспечить субпикосекундное быстродействие со скоростью переключения 500 фс. При уменьшении добротности можно повысить быстродействие до уровня меньше 100 фс, однако, вместе с этим будет повышаться порог конденсации, что негативно скажется на эффективности переключения и шумовых характеристиках заявленного устройства. Такое предположение можно сделать исходя из других зависимостей, таких как эффективность переключения от энергии затравочнаго пучка (рис 3). В некотором смысле, уменьшение добротности эквивалентно уменьшению количества поляритонов, введенных затравочным пучком. В случае задержки менее 1 пс наблюдается накопление сигнала, который впоследствии приведет к ошибке в обработке сигналов.
Следует отметить, что предложенный метод легко распространить на многоканальные истинностно-функциональные операторы «ИЛИ НЕ», использующие полную двумерную параболическую поляритонную дисперсию.
Реализация универсального поляритонного вентиля является основным строительным блоком для платформы для полностью оптической логической схемы, работающей при комнатной температуре на высокой скорости. Для будущего масштабирования до нескольких вентилей требуются реализации с плоскими архитектурами фотонных микрорезонаторов, которые активно развиваются в настоящее время.
Хотя настоящая патентная заявка относится к определенному в прилагаемой ниже в формуле изобретения, важно отметить, что настоящая заявка на патент содержит основание для формулировки других изобретений, которые могут, например, быть заявлены как объект уточненной формулы изобретения настоящей заявки или как объект формулы изобретения в выделенной и/или продолжающей заявке. Такой объект может быть охарактеризован любым признаком или комбинацией признаков, описанных в настоящем документе.
Литература:
[1] Kumar, S. & Willner, A.E. Simultaneous four-wave mixing and cross-gain modulation for implementing an all-optical XNOR logic gate using a single SOA. Opt. Express 14, 5092-5097 (2006).
[2] Son, C.W. et al. Realisation of all-optical multi-functional logic gates using semiconductor optical amplifiers. Electron. Lett. 42, 1057-1058 (2006).
Opt.Commun.
281
[3] Dong, J., Zhang, X., Xu, J. & Huang, D. 40 Gb/s all-optical logic NOR and OR gates using a semiconductor optical amplifier: Experimental demonstration and theoretical analysis. , 1710-1715 (2008).
[4] Lai, D.M.F., Kwok, C.H. & Wong, K.K.-Y. All-optical picoseconds logic gates based on a fiber optical parametric amplifier. Opt. Express 16, 18362-18370 (2008).
[5] Wang, W. et al. Experimental research on 10 Gb/s all-optical logic gates with return-to-zero data in high nonlinear fiber. Asia Communications and Photonics Conference and Exhibition, 830829 (2011).
[6] Liang, T.K. et al. High speed logic gate using two-photon absorption in silicon waveguides. Opt. Commun. 265, 171-174 (2006).
[7] Uddin, M.R., Lim, J.S., Jeong, Y.D. & Won, Y.H. All-optical digital logic gates using singlemode Fabry-Perot laser diode. IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 1468-1470 (2009).
[8] Ballarini, D. et al. All-optical polariton transistor. Nat. Com. 4, 1778 (2013).
[9] Marsault, F. et al. Realization of an all optical exciton-polariton router. Appl. Phys. Lett. 107, 201115 (2015).
[10] Zasedatelev, A.V. et al. A room-temperature organic polariton transistor. Nat. Photon. 13, 378 (2019).
[11] Weisbuch, C., Nishioka, M., Ishikawa, A. & Arakawa, Y. Observation of the coupled excitonphoton mode splitting in a semiconductor quantum microcavity. Phys. Rev. Lett. 69, 3314 (1992).
[12] Kundermann, S. et al. Coherent control of polariton parametric scattering in semiconductor microcavities. Phys. Rev. Lett. 91, 107402 (2003).