Nonlinear optics at Laboratory of Organic materials

Problēma

Tiek uzskatīts, ka 21 gadsimtā elektroniku dominējošā lomā nomainīs fotonika – multidisciplināra zinātnes un tehnikas nozare, kura saistīta ar gaismas emisiju, pārraidi, pastiprināšanu, detektēšanu un modulāciju. Eiropas kopienas institūcijas definējušas fotoniku kā vienu no piecām nozīmīgākajām ”tehnoloģiju veicinošajām atslēgas” nozarēm („key enabling technologies”) [1]. Informācijas un komunikāciju tehnoloģijās (ICT) notiek pāreja no elektrona uz fotonu (gaismas daļiņu) kā informācijas nesēju. Līdz ar to ar vien lielāku īpatsvaru iegūst ICT fotonika, kuras attīstībai nozīmīga loma ir nelineāri optiskiem (NLO) elementiem un ierīcēm. Kā primārais fotonikas uzdevumiem ICT nozarē jāmin jaunu daudz ātrdarbīgāku elektro- optisko (EO) modulatoru radīšana. Tiem jānodrošina ievērojami lielāks informācijas pārraides ātrums izmantojot jau esošās optiskās sakaru līnijas. Nepietiekams datu pārraides ātrums šodien ir šaurā vieta plašā digitālo pakalpojumu klāsta attīstībai. Pašreiz optiskajās sakaru sistēmās pielieto EO modulatorus, kuros tiek izmantoti neorganiski NLO aktīvi materiāli – visbiežāk LiNbO3. Šiem materiāliem piemīt virkne trūkumu no kuriem visnozīmīgākie ir samērā zemā EO aktivitāte (30 pm/V) un augstās dielektriskās caurlaidības (ε =24) kombinācija ar vidēji lielu gaismas laušanas koeficientu (n = 2.2) [2]. Šādos materiālos novērojama ievērojama optisko un radiofrekvences viļņu izplatīšanās ātrumu neatbilstība un līdz ar to tiek limitēta uz tiem balstīto EO modulatoru ātrdarbība. Pašreiz ātrākie no tiem spēj darboties frekvenču diapazonā līdz 40 GHz un tos iespējams iegādāties, piemēram, no ThorLabs par 4000 € [3]. Šī frekvence atbilst fizikālajam ātrdarbības limitam, kurš sasniedzams ar saprātīgiem vadības spriegumiem (Vπ<10 V). Par nozīmīgu soli uz priekšu uzskatāmi silīcija EO modulatori, kuros varētu tikt realizēta augsta modulācijas frekvence pie zemiem spriegumiem [4]. Diemžēl to darbībai nepieciešamas lielas elektriskas jaudas un izdalītā siltuma aizvadīšana rada nopietnu problēmu to pielietošanai praksē [2].
Par visperspektīvāko aktīvo materiālu klasi EO modulatoru ātrdarbības palielināšanai tiek uzskatīti p-elektronus saturoši organiskie materiāli. Šiem materiāliem līdz ar samērā vienkāršo un attīstīto iekārtu mezglu izveidošanas tehnoloģiju piemīt virkne nozīmīgu priekšrocību, tai skaitā tiem raksturīga plata frekvenču josla ( > 10 THz) , izcila EO aktivitāte ( > 300 pm/V ) un nenozīmīgi optiskie zudumi (< 2 dB/cm) [2]. Balstoties uz šādiem materiāliem jau šodien radīti EO modulatori ar darbības frekvenci 100 GHz , sk., piem. [5]. Tomēr tiem iegūt plašu pielietojumu visticamāk traucē nepietiekama stabilitāte. Šodien vēl nav izdevies radīt tādus organiskos materiālus, kuri apmierinātu ICT prasības pēc stabilitātes, efektivitātes un ātrdarbības vienlaicīgi. Jāatzīmē, ka aprakstītie polimēru EO modulatori (PEOM) darbojas tā sauktajā „trešajā” telekomunikāciju viļņu garumu logā ap 1550 nm. Arī analizējot pieejamo zinātnisko literatūru var secināt, ka pētniecība pasaulē galvenokārt orientējas uz šo „trešo” logu. Visticamāk tādēļ PEOM, kuri darbotos telekomunikāciju viļņu garumu „pirmajā” (800 – 900 nm) un „otrajā” (ap 1300 nm) logā netiek piedāvāti un tirgū izveidojusies brīva niša.
Digitālās informācijas pārraides nepietiekamā ātruma problēma ietekmē praktiski visu mūsdienu sabiedrību. Arvien plašāk tiek ieviesta tā sauktā e-pārvalde, kura lielā mērā atkarīga no drošas un ātras datu pārraides. Blakus nu jau tradicionālajām interneta aplikācijām (piem. informācijas iegūšana no dažādām datu bāzēm) arvien vairāk tiek izmantoti tādi pakalpojumi kā interneta telefonija un televīzija. Nozīmīgu pārraidāmo datu apjomu rada plašu popularitāti ieguvušie sociālās saskarsmes portāli. Tā, piemēram, „YouTube” viena mēneša laikā radītā  informācijas plūsma (~1000 TB) atbilst visu pasaules televīzijas raidītāju un kabeļtelevīziju pārradītajai informācijai gada laikā. Datu pārraides problēma vēl vairāk aktualizēsies plaši ieviešot digitālo TV HD standartā.

Literatūra:

  • COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE EUROPEAN PARLIAMENT, THE COUNCIL, THE EUROPEAN ECONOMIC AND SOCIAL COMMITTEE AND THE COMMITTEE OF THE REGIONS, "Preparing for our future: Developing a common strategy for key enabling technologies in the EU" {SEC(2009) 1257} un Staff Working Paper {SEC (2009) 1257}
  • L.R. Dalton et al., „Theory-inspired development of new nonlinear optical materials and their integration into silicon photonic circuits and devices”, Opt. Mater. (2009), doi:10.1016/j.optmat.2009.02.002
  • http://www.thorlabs.de/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=3948
  • L. Ansheng et al., „Recent Advances in High Speed Silicon Optical Modulator” Proceedings of SPIE, Volume 6477, Feb. 9, 2007.
  • http://products.gigoptix.com/polymer_modulators/59

Organisko Materiālu Laboratorija, Cietvielu Fizikas institūts, Ķengaraga iela 8

Aktualizēts: 31.12.2013.