Замедление или остановка света?

21 апреля 2006 года Крис Филлипс (Chris Phillips) из Imperial College (Лондон) сообщил на конференции в University of Exeter, что ему и его коллегам удалось замедлить скорость света в 40 раз, пропустив его через «сэндвич», изготовленный из полупроводниковых (п/п) тонких пленок (см. physorg.com/news64851319.html) толщиной в несколько нанометров. Это не было первым сообщением о столь значительном замедлении скорости света, но оно продемонстрировало факт замедления света при комнатной температуре и при этом в обычном для п/п технологии материале — InGaAs. Скорость замедления можно менять путем изменения толщины п/п тонкой пленки, в которой сформированы квантовые ямы.

Замедление света в среде с n > 1 факт далеко не новый, весь вопрос в том, с какой целью это делается. Первоначально цель была явно амбициозная — замедлить свет и как можно больше. В этой гонке на замедление результаты росли довольно быстро. Уже в 1999 году было экспериментально доказано, что свет можно практически остановить, заставив его, например, распространяться в специально созданной замороженной до температуры 50 нанокельвинов среде, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC), со скоростью, в 20 миллионов (а не в 40) раз более медленной, чем его скорость в вакууме (полученная скорость света порядка 17 м/с некоторое время была рекордной) [3].

Цель максимально возможного замедления вскоре была достигнута — свет был просто остановлен. Сообщения об этом появились в статье [4]. Ее результаты были подтверждены математическим моделированием динамики поведения светового солитона в парах атомов (в среде ВЕС), описанным в работе [5] и экспериментально в работе [6]. В работе [5] было показано, что в этой среде групповая скорость солитона, ударно возбуждаемого лазером, монотонно убывает с убыванием (после выключения) интенсивности поля управляющего лазера. При этом солитон не только замедлялся, но и останавливался, что удалось зафиксировать путем регистрации пространственной локализации солитона, используя его поляризацию (природа как бы пронзила «Черный квадрат» Малевича фотонным лучом,. Цель достигнута, но полного удовлетворения нет, так как процесс, в общем-то, неуправляемый.

Можно научиться дискретно управлять таким процессом, создавая, например, центры взаимодействия оптических полей и продвигая фронт их взаимодействия от центра к центру, как это описано в работе [7]. В ней предложено для замедления света использовать WGM-резонаторы, работающие в режиме резонирующего акустического свода (WGM), позволяющем усилить действие исчезающее малых оптических полей. WGM-резонатор — устройство в виде оптически прозрачного тора (сечением 5 ґ 5 мкм) из ниобата лития. Система таких резонаторов формируется на поверхности оптически прозрачного цилиндрического вертикального стержня диаметром 3 мм из того же материала (с показателем преломления 2,2), используемого в качестве волновода Проводя цифровое моделирование процесса распространения взаимодействия полей, можно получить картину последовательных откликов возникающих в результате запуска и сверхмедленного распространения оптического импульса снизу вверх, благодаря последовательному взаимодействию полей нижних резонаторов с верхними, осуществляемому через поле волновода. Скорость распространения света составила менее 20 см/с, что на два порядка медленнее, чем было получено в работе [3], и при этом была достигнута некая управляемость.

Однако речь ниже пойдет не об этом, а о том, как создать легко управляемую задержку при комнатной температуре и в среде, которая широко используется для передачи полезного оптического сигнала, например в оптоволокне (ОВ), в том числе и фотонном, или в волноводах различного типа, или в тонких пленках из п/п материала.

Например, задержку света можно сделать компактной и многократно повторяемой, если использовать решетку Брэгга или микрорезонатор типа Фабри-Перо, в котором световой импульс многократно отражается, пока в определенный момент не будет выведен из него. Используя такую технику, можно реализовать относительно длинные и дискретно изменяемые задержки. Другие типы задержки обеспечивают однократную задержку определенной длины, дробной (FD) или кратной длине задерживаемого импульса, точнее, длине двоичного битового интервала, в котором может располагаться оптический импульс.

Для того, чтобы сделать управляемую задержку Tуз максимально возможной, нужно выбрать максимально возможную длину среды (для того, чтобы уменьшить влияние остаточного затухания) и максимизировать групповой ПП nг.

Системы управляемого замедления света Управляемый медленный свет может использоваться в различных приложениях, таких как:

• · управляемые оптические линии задержки (ОЛЗ);
• · оптические буферы (ОБ);
• · устройства естественной временной задержки для радаров с синтезированной апертурой.

Основной показатель медленного света:

нормализованная временная задержка = общей временной задержке/временной интервал, занимаемый импульсом = информационной емкости хранения среды.

Под временным интервалом, занимаемым импульсом обычно понимается битовый интервал. В оптических системах обычно принимается, что ширина (оптического) импульса на уровне половинной мощности (FWHM) составляет ½ битового интервала (хотя она может быть равна 1/3 или 2/3 этого интервала в зависимости от используемого метода модуляции). Для скоростей 10 и 40 Гбит/с в системах связи битовый интервал составляет 100 и 25 пс. Лучший результат, достигнутый до сих пор — задержка четырех импульсов (A.Kasapi, 1995, [2]). Отсутствие сведений о ширине этих импульсов не дает возможности оценить реализованную задержку. Для приведенных нами скоростей, четыре импульса соответствовали бы длительности задержки 400 и 100 пс соответственно.

Если учесть, что длина базового пакета 10-гигабитного Ethernet составляет 1526 бит, то для задержки одного пакета в ОБ потребуется задержка длительностью примерно 153 нс, а для 100-гигабитного Ethernet (на который нацелены оптические специалисты) — 15,3 нс. Возникает вопрос: «Каковы перспективы получения управляемой задержки такой длительности для оптической линии задержки?» Результаты, приведенные ниже, говорят о том, что они не так уж и плохи, что не согласуется с выводом, приведенным в [1].