Российские ученые создали самый быстрый в мире фотонный переключатель

Международная группа ученых из МГУ имени Ломоносова и Австралийского национального университета в Канберре разработала ультрабыстрый оптический переключатель на кремниевых наноструктурах.

Это устройство может стать платформой для будущих компьютеров и позволить передачу данных на ультравысокой скорости.

Статья с описанием устройства опубликована в издании Nano Letters и анонсирована в Nature Materials.

Все началось в 1960-х…

Работа относится к области фотоники — оптической дисциплины, которая появилась в 1960-х, одновременно с изобретением лазеров. У фотоники те же цели, что и у электроники, но используются фотоны — частицы света — а не электроны. Важнейшим преимуществом использования фотонов является отсутствие между ними какого-либо взаимодействия. Как следствие, фотоны лучше электронов позволяют решить проблему передачи данных. Это свойство может, прежде всего, использоваться в вычислениях, где основным атрибутом являются инструкции в секунду (IPS). Типичный масштаб электронных транзисторов — основы современных электронных устройств — составляет менее 100 нанометров, в то время как обычный масштаб фотонных транзисторов сохраняется в диапазоне нескольких микрометров.

Наноструктуры, способные конкурировать с электронными структурами, например, плазмонные наночастицы — характеризуются низкой эффективностью и значительными потерями. Именно поэтому так сложно было изобрести компактный фотонный переключатель.

… и изменилось три года назад

Три года назад несколько групп ученых одновременно открыли важный эффект: они выяснили, что кремниевые наночастицы демонстрируют значительные резонансы в видимом спектре — так называемые магнитные дипольные резонансы. Этот тип резонансов характеризуется существенной локализацией световых волн в субдлинноволновом масштабе, внутри наночастиц. Этот эффект оказался интересен ученым, но, по словам первого автора публикации Максима Щербакова, никто не думал, что данное открытие способно создать основу для развития компактного и очень быстрого фотонного переключателя.

Наночастицы были изготовлены в Австралийском национальном университете методом электронно-лучевой литографии, сопровождаемой плазменным травлением. Производством занимался Александр Шорхов, который в тот момент находился в интернатуре университета в рамках президентской программы по обучения за рубежом. Образцы доставили в Москву, и все эксперименты проводились уже на физфаке МГУ, в лаборатории нанофотоники и метаматериалов.

В нашем экспериментальном исследовании я и коллега Полина Вабищевич использовали набор нелинейных оптических методов, пояснил Максим Щербаков. Мы применили собственный фемтосекундный лазер, приобретенный МГУ в рамках программы развития.

Тысячи HD-фильмов за секунду

В итоге ученые разработали устройство — диск диаметром 250 нанометров, способный переключать оптическую пульсацию на фемтосекундном уровне (фемтосекунда — это одна биллионная доля секунды). Высокоскоростное переключение позволит добиться передачи данных и создать устройства обработки, которые будут работать с десятками и сотнями терабит в секунду. Тысячи фильмов с HD-качеством на такой скорости будут скачиваться менее чем за секунду.

Управление таким переключателем базируется на взаимодействии между двумя фемтосекундными импульсами. Взаимодействие становится возможным вследствие магнитного резонанса кремниевых наноструктур. Если импульсы достигают наноструктур одновременно, один из них взаимодействует с другим и амортизирует его вследствие эффекта двухфотонного поглощения. Если между двумя импульсами имеется задержка продолжительностью 100 фемтосекунд, взаимодействие не происходит, и второй импульс проходит через наноструктуру без изменений.

Мы сумели развить структуру с подавленными нежелательными эффектами свободных носителей, заявил Максим Щербаков. Свободные носители — электроны и электронные дыры — накладывают на скорость преобразования сигнала серьезные ограничения в традиционной интегрированной фотонике. Наша работа представляет важный шаг к инновационным и эффективным активным фотонным устройствам — транзисторам, логическим устройствам и др. Особенности используемой технологии допускают ее применение в кремниевой фотонике. В ближайшем будущем мы намерены испытать такие наночастицы на интегральных микросхемах.

27.10.2015