Нижегородские ученые исследуют перспективы создания новых фотонных интегральных схем
Ученые ННГУ им. Н. И. Лобачевского опровергли эффект усиления плазмонов на поверхности нестационарного графена, тем самым заложив основы теоретического описания электромагнитных явлений в нестационарных микроволноводах
Переход от электронных интегральных схем к более быстродействующим, энергоэффективным и помехозащищенным оптическим — одна из важнейших целей развития фотонных технологий. Фотонные интегральные схемы (ФИС) уже сегодня применяются для передачи и обработки сигналов в оптических сетях и системах связи. Примерами являются мультиплексоры ввода-вывода оптических сигналов и микрочипы с интегрированными на них полупроводниковым лазером, модулятором и усилителем света. На сегодняшний день, однако, ФИСы используются, в основном, в комбинации с электронными схемами, чисто фотонные устройства пока не конкурентоспособны.
Одной из трудностей при создании ФИС является сложность изготовления на одном микрочипе различных устройств — волноводных соединений, делителей мощности, усилителей, модуляторов, лазеров и детекторов, поскольку они требуют различных материалов. Основными материалами существующих ФИС являются полупроводники (фосфат индия, арсенид галлия, кремний), электрооптические кристаллы (ниобат лития), а также различные стекла.
Чтобы повысить быстродействие ФИС по управлению световыми потоками, ведется поиск новых материалов, обладающих высокой оптической нелинейностью. Перспективными, в частности, являются микроволноводы на основе недавно открытого материала графена (слоя атомов углерода толщиной в один атом), концентрацией носителей заряда в котором можно эффективно управлять с помощью оптической накачки или приложенного напряжения смещения.
По словам заведующего кафедрой общей физики радиофизического факультета ННГУ Михаила Бакунова, теоретические и экспериментальные работы последнего времени показывают возможность сверхбыстрого (на временах в несколько периодов светового поля) изменения концентрации носителей в графене, что открывает возможности для манипулирования амплитудой и частотой направляемых поверхностью графена световых волн (плазмонов). «Разработка физических моделей для описания электромагнитных процессов в нестационарном графене имеет важное прикладное значение и вызывает повышенный интерес исследователей. Одним из результатов исследований 2018 года стало предсказание в ряде работ возможности усиления (увеличения энергии) плазмонов за счет изменения концентрации носителей в графене, что, безусловно, привлекательно для создания новых устройств», — отмечает Михаил Бакунов.
Сотрудниками кафедры общей физики ННГУ разработана теория преобразования световых волн, распространяющихся по поверхности графена, при изменении во времени концентрации электронов в графене. В отличие от предшествующих работ точно учтено взаимодействие электронов со световым полем. Одним из результатов исследования стало опровержение предсказанной ранее возможности усиления световых волн за счет изменения концентрации электронов. Таким образом, работа ученых ННГУ дает новый взгляд на динамику волн в нестационарных микроволноводах, способствуя тем самым развитию ФИС.
«До нашей работы были сделаны две попытки (обе в течение последнего года) теоретического описания преобразования световых волн на поверхности нестационарного графена группами из Бельгии и США. Обе работы опирались на неверное предположение о поведении магнитного поля световой волны при скачке концентрации электронов в графене. Вместо каких-либо предположений о поведении полей наша теория основана на точном микроскопическом учете динамики тока электронов в графене, чего не делалось в предшествующих работах. Поведение полей вытекает из нашей теории само собой. В частности, теория показывает неправильность использованного ранее предположения о поведении магнитного поля. Таким образом, наша теория решает проблему правильного описания преобразования света на поверхности графена с переменной концентрацией электронов», – пояснил Михаил Бакунов.
По словам доцента кафедры общей физики Алексея Маслова, данное исследование направлено на разработку физических принципов сверхбыстрого управления фотонами в интегральных микрочипах, то есть на улучшение быстродействия микросхем и микрочипов, используемых в микроэлектронике и наноэлектронике.
Разработанная учеными ННГУ теория описывает изменение амплитуды и частоты световых волн на поверхности графена с переменной во времени концентрацией электронов. На основе теории могут быть разработаны такие элементы ФИС, как, например, сверхбыстрые модуляторы света. Результаты исследования опубликованы в одном из наиболее авторитетных международных журналов в области фотоники — Optica (https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-12-1508).
Исследования ведутся при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
