Ученые из России совместно с исследователями из Швейцарии и Китая представили инновационный тонкопленочный материал на основе кремния. Эта разработка способна изменять характеристики световых импульсов с колоссальной скоростью — вплоть до одного миллиарда операций за секунду.
Евгения Васильева
Фоточип, иллюстрация. Фото: Gemini. Источник: ixbt.com
Как передала ТАСС пресс-служба петербургского Университета ИТМО, новое устройство может существенно ускорить прогресс в области оптических вычислений, создании биологических сенсоров и модернизации телекоммуникационных сетей будущего.
Лазерное воздействие трансформирует свойства кремния
По словам Сергея Макарова, ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО, лазерное воздействие практически мгновенно трансформирует свойства кремния, поэтому длительность переключения не превышает нескольких наносекунд, а частота модуляции достигает гигагерцевого диапазона. Исследователь подчеркивает, что такие показатели сопоставимы с тактовой частотой современных микропроцессоров, однако в данном случае обработка сигналов происходит напрямую с использованием света.
Разработанный материал относится к категории метаповерхностей — особых двумерных структур, созданных на основе метаматериалов. Подобные поверхности состоят из огромного числа микроскопических элементов, которые сложным образом взаимодействуют с падающим световым излучением. Традиционно такие конструкции изготавливаются под конкретные задачи, и после их создания изменить параметры невозможно, что делает их непригодными для быстрого переключения сигналов при передаче информации.
С инженерной точки зрения, подвешенная конструкция мембраны решает сразу несколько задач. Во-первых, отсутствие жесткой подложки, такой как сапфир или кварц, исключает теплоотвод в массивный материал, что позволяет эффективно использовать нагрев током для точной подстройки резонансных свойств метаповерхности.
Во-вторых, свободное расположение мембраны минимизирует механические напряжения, которые могли бы возникнуть при циклическом тепловом расширении, что напрямую влияет на долговечность устройства.
В-третьих, оптическая изоляция мембраны от подложки снижает потери на поглощение и рассеяние, повышая добротность резонансов. Именно эта комбинация — механическая свобода и термическая изоляция — позволила достичь столь впечатляющей амплитуды модуляции при относительно низких управляющих энергиях.
Метаповерхность на сверхтонкой кремниевой мембране толщиной около одного микрона
Ученым из трех стран удалось решить эту проблему, создав уникальную метаповерхность, которую можно контролировать с помощью внешних воздействий и менять ее характеристики в среднем инфракрасном диапазоне.
Ключевая особенность новинки заключается в том, что структура размещена на сверхтонкой кремниевой мембране толщиной около одного микрона, которая при этом не закреплена на жестком основании, а находится в подвешенном состоянии.
Такое инженерное решение дает возможность управлять оптическими параметрами метаповерхности двумя способами: либо через нагрев электрическим током, либо с помощью сверхкоротких лазерных импульсов. В результате воздействия в кремнии формируются свободные электроны, которые уменьшают его прозрачность, что приводит к практически мгновенному изменению оптических характеристик материала — за доли наносекунды. Благодаря этому состояние оптических систем можно переключать с частотой до миллиарда раз в секунду.
Подобная скорость переключения открывает перед исследователями совершенно иной уровень управления светом, чем тот, что был доступен ранее.
В традиционных оптоэлектронных модуляторах, используемых в современных линиях связи, изменение свойств материала происходит за счет инжекции носителей заряда или электрооптических эффектов в объемных кристаллах.
Эти процессы, как правило, ограничены частотами в десятки или сотни мегагерц и требуют значительной управляющей мощности. Здесь же мы имеем дело с наносекундным откликом в тонкой мембране, что приближает скорость обработки информации к тактовой частоте процессоров, но с принципиальным отличием: сигнал не преобразуется в электрическую форму, а обрабатывается непосредственно в оптическом виде.
Это позволяет избежать потерь на преобразование и задержки, связанные с электронными межсоединениями, что критически важно для будущих вычислительных архитектур.
Перспектива применения инновации
По мнению авторов работы, созданная метаповерхность может найти применение в создании компактных спектрометров для определения химического состава веществ, в разработке высокочувствительных элементов для тепловизионной техники, а также в системах защищенной оптической связи, где информация закладывается непосредственно в световой поток.
Кроме того, данная технология перспективна для создания микроэлектронных приборов и вычислительных устройств с минимальным энергопотреблением, что делает ее важным шагом в развитии фотонных технологий.
Применение подобных метаповерхностей в спектроскопии выглядит особенно многообещающим. Современные компактные спектрометры, работающие в среднем инфракрасном диапазоне, обычно используют либо дифракционные решетки с подвижными частями, либо перестраиваемые лазеры, что делает их громоздкими и медленными.
Метаповерхность, управляемая лазерными импульсами, может выступать в роли быстрого перестраиваемого фильтра, который сканирует спектр за микросекунды, а не за миллисекунды, как это происходит сейчас.
Это дает возможность проводить мониторинг химических реакций в реальном времени, регистрируя короткоживущие промежуточные соединения, или анализировать состав выдыхаемого воздуха для медицинской диагностики без длительной подготовки проб. При этом чувствительность устройства, благодаря резонансному усилению поля на метаповерхности, может быть на порядок выше, чем у традиционных решеточных спектрометров сравнимого размера.
Еще одна важная ниша — защищенная оптическая связь. Сегодня шифрование данных в волоконно-оптических линиях часто осуществляется на электронном уровне с последующим преобразованием в свет. Это уязвимое звено: сигнал остается открытым в момент преобразования.
Использование же метаповерхности для прямой модуляции светового потока с гигагерцовой частотой позволяет накладывать информацию непосредственно на квантовые состояния фотонов, такие как фаза или поляризация, причем смена ключа шифрования может происходить за наносекунды, делая перехват практически невозможным.
Более того, поскольку устройство работает в среднем инфракрасном диапазоне, где атмосферное поглощение ниже, чем в видимой части спектра, его можно применять для защищенных беспроводных оптических каналов связи между зданиями или даже между спутниками на низкой орбите.
Наконец, нельзя обойти вниманием потенциал данной технологии в области нейроморфных вычислений. Фотонные нейронные сети, в которых информация кодируется интенсивностью или фазой света, уже давно предлагаются как альтернатива электронным из-за высокой пропускной способности и низкого энергопотребления.
Однако до сих пор главным препятствием была невозможность быстро и обратимо менять веса синаптических связей в таких сетях. Метаповерхность с гигагерцовой перестройкой как раз позволяет реализовать динамические весовые коэффициенты, которые обновляются в реальном времени в процессе обучения сети.
Это открывает путь к созданию полностью оптических процессоров, которые будут выполнять операции умножения матриц со скоростью света и при этом потреблять лишь доли ватта, что делает их идеальными для встраивания в периферийные устройства интернета вещей, где энергоэффективность стоит на первом месте.
Таким образом, представленная разработка — это не просто улучшение существующих оптоэлектронных компонентов, а фундаментальный шаг к пересмотру самой парадигмы вычислительной техники.