Теоретическую модель из двух вложенных квантовых ям, описывающую формирование сверхкоротких оптических импульсов, которая может лечь в основу устройств для высокоскоростной передачи информации, предложили ученые Санкт-Петербургского государственного университета и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург), 23 сентября сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу РНФ.

Световые импульсы в предложенной модели инициируются электронами, стукающимися о стенки квантовых ям и отскакивающими от них как упругие мячики.

Результаты исследования модели ее авторы представили в статье «Генерация последовательности оптических полупериодических импульсов со сверхвысокой частотой повторения во вложенных квантовых ямах», опубликованной в журнале Optics Letters.

Для повышения скорости передачи и обработки информации необходимо использовать всё более короткие электромагнитные импульсы. Импульсы диапазона радиочастот перестали удовлетворять потребности современных технологий.

Пришедшие им на смену на порядки меньшие по длительности импульсы оптического диапазона активно применяются при оптической передаче данных в современных компьютерах, а также в бортовых космических, самолетных и корабельных системах связи.

От длины импульсов (чем короче, тем лучше) и частоты их излучения в системе связи зависит скорость передачи данных. В настоящее время все существующие методы генерации сверхкоротких высокочастотных оптических импульсов реализованы на громоздких и сложных экспериментальных установках, которые не соответствуют потребностям производства.

Новый подход петербургских ученых для получения сверхкоротких оптических импульсов основан на простой квантовой системе, состоящей из двух вложенных квантовых ям — внутренней и внешней, которая ее покрывает. Представить это можно, как если бы внутренняя яма была углублением на дне внешней.

Квантовой ямой называется узкая потенциальная яма, ограничивающая движение частиц до двух измерений. Физически их создают в полупроводниковых наноразмерных материалах.

Находящийся в такой внутренней «нанояме» электрон не может выбраться из нее без полученной извне энергии. Но если подать на такую систему внешний импульс постоянного электрического поля, достаточный, чтобы электрон возбудился и попал во внешнюю квантовую яму большего потенциала, но которого недостаточно, чтобы он покинул и эту яму, то электрон начнет по ней двигаться, стукаясь о ее границы и «отскакивая» от них.

Каждый такой удар заставляет электрон терять энергию, которая при этом излучается в виде светового импульса. Но эти потери энергии компенсируются внешним электрическим полем. Поэтому этот электрон будет излучать частые и короткие импульсы света всё время, пока действует электрическое поле.

Руководитель проекта, ведущий научный сотрудник физфака СПбГУ, кандидат физико-математических наук Ростислав Архипов пояснил предложенную ими концепцию генератора сверхкоротких оптических импульсов:

«В каждой квантовой яме находится один электрон, поэтому, если создать систему из большого количества предложенных нами квантовых ям — нанести целый слой полупроводника на специальную подложку, — можно добиться того, что сразу много электронов будут испускать световые импульсы. Это позволит усилить сигнал и использовать такую модель при разработке систем передачи данных по оптоволокну».

В планах ученых поиск новых путей создания на основе квантовых связанных систем компактных источников сверхкоротких световых импульсов, которые смогут обеспечить большую скорость передачи информации.