Ученые Томского политеха разработали экологичный оптический переключатель для применения в «зеленой» фотонике
Принцип действия такого переключателя основан на вызванном температурой изменении показателя преломления внутри капли воды. Он является экологичным, простым и недорогим в изготовлении, и в перспективе может быть применен для разработки «зеленых» датчиков, интегрированной оптики и оптических компьютеров.
Замерзающие капли воды являются перспективным природным объектом исследования в мезотронике. Они, в частности, могут выступать в качестве новой платформы для многих оптических устройств. Это связано с тем, что твердое и жидкое состояния капель воды позволяют формировать и использовать различные оптические эффекты.
Ученые Томского политехнического университета разработали оптический переключатель, основанный на эффекте фотонного крючка — искривленного светового луча характерной формы. Для этого они использовали охлаждаемую каплю воды, которую разместили на холодной супергидрофобной (отталкивающей воду) поверхности, чтобы максимально сохранить форму сферы. Замерзающая капля подходит для выполнения функции оптического переключателя благодаря ее температурной чувствительности и относительно быстрой динамике переключения.
«В процессе замерзания по капле вверх распространяется лед, происходит изменение фазового состояния воды. Поскольку оптические свойства льда и воды отличаются, то когда мы светим на каплю лазером сбоку, с другой стороны формируется фотонный крючок. Уровень льда в капле в процессе замерзания постоянно меняется, соответственно и фотонный крючок изгибается по-разному. Ключевым свойством фотонного крючка для реализации функции оптического переключателя является зависимость кривизны его луча от положения границы раздела вода-лед в процессе замерзания капли. Если в области локализации излучения расположить два детектора, то сначала сигнал от крючка попадет на первый детектор, а потом в процессе замерзания — на второй. То есть свет будет давать сигнал то на один, то на другой детектор. Это и есть принцип работы оптического переключателя», — комментирует руководитель работ, профессор отделения электронной инженерии Олег Минин.
Оптический переключатель, основанный на эффекте фотонного крючка, является устройством прямого рассеивания. Это значит, что положение и форма локализации поля чувствительно к положению в пространстве и расстоянию между каплей и детекторами. Таким образом, фотонные крючки в таком переключателе функционируют как переключающиеся каналы. Это позволяет создавать на основе замерзающей капли воды двухканальный переключатель. А микроскопические капли воды с размером порядка 5-10 микрон широко присутствуют в тумане и облаках.
Кроме того, устройство является термочувствительным. Уникальное свойство фотонного крючка изменять кривизну по отношению к температуре позволяет использовать такой переключатель для миниатюрных устройств «на-чипе», в «зеленой» оптоэлектронике и мезотронике. При этом не требуется использование дополнительных микромеханических устройств, а также управление при помощи электрического сигнала или многочастотной подсветки.
Фото: Томский политехнический университет