Российские ученые создали наноразмерное оптоволокно для будущих компьютеров

Оптические свойства нанопроволок фосфида галлия позволяют делать из этих кристаллов сложные оптические элементы для интегральных схем компьютеров будущего — такой вывод сделала по результатам своего исследования группа ученых из Москвы, Санкт-Петербурга и Еревана, 3 июля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу МФТИ.

Результаты проделанной работы исследователи представили в статье «Эластичные оптические волноводы из нанопроволоки из фосфида галлия — универсальная субволновая платформа для интегрированной фотоники», опубликованной в журнале Small.

Современные электронные микросхемы практически достигли пределов миниатюризации транзисторов, которая определяет их производительность, так как они приблизились к порогу, за которым на работу процессоров начнут действовать квантовые эффекты.

Другой проблемой для повышения производительности электронных устройств является выделение тепла в металлических шинах при передаче и обработке информации с помощью электронов. Поэтому ученые во всем мире в настоящее время заняты поиском альтернативных способов повышения производительности компьютеров.

Ученые из МФТИ выбрали для таких исследований поиск оптимальных материалов для оптических интегральных схем, в которых информация будет передаваться с помощью фотонов. Преимуществом их использования является то, что фотоны намного слабее взаимодействуют с проводником и, соответственно, не нагревают устройство.

С помощью оптических сигналов уже много лет ведется передача данных по оптоволокну, но пока нет разработок по использованию наноразмерных оптоволокон для чипов.

Такие материалы должны быть прозрачны для видимого, а желательно даже для ультрафиолетового света и иметь низкие оптические потери. Так как фосфид галлия обладает всеми этими свойствами, физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами занялись исследованием его нанокристаллов.

Они изготовили волноводы из нанокристаллов фосфида галлия, предварительно выяснив минимальный диаметр кристалла, при котором возможна передача света, и сформировали разветвитель из двух таких кристаллов.

На кремниевой подложке ученые вырастили нитевидные нанокристаллы фосфида галлия различных диаметров, чтобы проверить возможность их использования в качестве волновода.

Заведующий лабораторией функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков рассказал о сути экспериментов:

«Мы показываем, что, используя нитевидные нанокристаллы, можно делать волноводы размером 100 нанометров — это важный шаг по снижению размеров оптических элементов. Меняя геометрию кристаллов, можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав, можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе».

Исследователи на первом этапе экспериментов оценили влияние диаметра волновода на его светопроводящие свойства. Для этого на одном конце нанокристалла известного диаметра фокусировали лазерный пучок, а на другом конце с помощью оптического микроскопа смотрели, проходит ли свет через кристалл.

Минимальный диаметр кристалла, при котором свет еще проходил через волновод, зависел от длины волны лазера. Для большей длины волны был необходим волновод большего диаметра.

Следующим этапом стало исследование пропускной способности волновода: с одного конца нанопроволоки вводили широкополосное лазерное излучение (от видимого до ближнего инфракрасного диапазона), а на другом измеряли спектр.

Спектр на выходе зависел от диаметра волновода, но у некоторых из них с определенным диаметром наблюдались пики в спектрах пропускания, что означало наличие резонансных свойств у волноводов из фосфида галлия. Эти свойства позволяют усиливать свет определенной частоты, фильтруя сигнал, или же генерировать лазерное излучение в наномасштабе.

На заключительном этапе экспериментаторы создали разветвитель — более сложный элемент оптической схемы. Для этого они изогнули две нанопроволоки и соединили друг с другом в форме буквы «X». Освещая конец одной проволочки, исследователи получали световой сигнал на концах обоих нанокристаллов, но разной частоты.

Соединив вместе несколько таких нанопроволок, можно создать более сложные элементы оптических схем. Это позволяют сделать уникальные характеристики нанокристаллов — их эластичность и сохранение изгиба на подложке. Эксперимент показал, что они не разрушаются даже при сильном изгибе, сохраняют форму и пропускают свет.

Исследования доказали отличные оптические и механические характеристики нанокристаллов фосфида галлия, среди которых — низкие потери, пропускание видимого и инфракрасного света, а также эластичность.

Полученные результаты позволяют говорить о перспективности нанопроволоки из фосфида галлия для производства нанооптических устройств. Причем не только простейших волноводов, но и фильтров, резонаторов и сложных элементов оптических микросхем.

«Мы экспериментально показали и теоретически объяснили, какие размеры должен иметь волновод из фосфида галлия, чтобы поддерживать передачу света. Далее направим усилия на изготовление более сложных оптических элементов: фильтров, интерферометров. Мы можем спектрально разделять оптические сигналы, используя схемы из нескольких наноструктур, что важно для создания логических элементов. Также мы создаем из других материалов волноводы, которые будут работать на других длинах волн света», — поделился планами Алексей Большаков.