Исследователи из Institute of Standards and Technology (NIST) провели опыт по конвертированию одиночных фотонов, испускаемых квантовыми точками, с соответствующей их энергии длиной волны 1300 нм в фотоны, которым соответствует длина волны в видимом диапазоне (710 нм).
Под квантовой точкой понимают трехмерную квантовую яму (например, полупроводник, ограниченный другим полупроводником), в которой квантоворазмерный эффект частицы проявляется в трех направлениях. Энергия частицы в квантовой точке квантуется также,как в атоме,поэтому квантовые точки иногда называют искусственными атомами. Имея один свободный электрон, квантовая точка будет "искусственным атомом" водорода, два - гелия и т.д.. Размеры квантовых точек составляют несколько нанометров (рисунок 1). Это значит, что в квантовой точке помещается более сотни атомов. В квантовой точке, так же, как и в атоме, происходят переходы электронов с одних уровней на другие. Разноименно заряженные частицы электрон и дырка образуют экситон, расстояние между частицами называется боровским радиусом экситона. От соотношения боровского радиуса и радиуса квантовой точки зависит энергетический спектр последней, в частности, чем больше квантовая точка, тем меньше излучаемые ею длины волн.
В сетях связи информация передается при помощи инфракрасного излучения лазера. Однако для приема излучения (например, на другом конце оптоволокна) используют детекторы, работающие в основном в видимом диапазоне. Это связано в первую очередь с тем, что велика составляющая шума в диапазоне инфракрасном и велико число ошибок в детектировании (все тела излучают в этой области). Возникает необходимость конвертировать длину волны излучения лазера в видимый диапазон. В эксперименте был использован источник инфракрасного излучения, нелинейный кристалл-детектор, сдвигающий длину волны в синюю сторону спектра, и мощный лазер накачки, являющиеся предметом разработки NIST (рисунок 2). Лазер накачки и слабый инфракрасный сигнал в совокупности с нелинейным кристаллом формируют систему конверсии частоты. В качестве лазера накачки используется лазер на кристалле lithium niobate (на рисунке 3 внизу слева). В качестве делителя сигнала используются две призмы (внизу справа), направляющие пучки излучения на лавинные фотодиоды (вверху слева).
Суть такого эффекта конверсии длины волны сводится к следующему. Обычно длина волны накачки меньше длины волны генерации. Это связано с потерями энергии в среде лазера. Однако существует механизм последовательного поглощения энергии волны через ряд метастабильных уровней (рисунок 4). Это хорошо видно на примере энергетических уровней тулия. Существует и другой механизм, известный как параметрическое усиление света. В этом случае два пучка излучения направляются на кристалл, в котором восприимчивость вещества нелинейна. В результате получается излучение, длина волны которого равна сумме или разности длин волн падающих.
Современные методы детекирования подобного рода сигналов основаны на полупроводниковых устройствах, требующих низких рабочих температур. Это создает очевидные неудобства. В процессе изучения данной проблемы был проделан поиск лавинных фотодетекторов, работающих с высокой эффективностью в видимой области спектра.
Список использованных источников
1 NIST
2 NIST
3 Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое? Соровский образовательный журнал, №5, 1997
