Революция в создании сверхбыстрых оптических чипов и транзисторов благодаря инновационному материалу
Международная команда исследователей совершила значительный прорыв, впервые убедительно показав, что галогенидные перовскиты могут служить эффективной основой для нелинейных оптических элементов «на чипе». Это открытие открывает путь к разработке нового поколения сверхбыстрых оптических чипов и транзисторов, а также других интегрированных оптических систем. В отличие от многих традиционных материалов, перовскиты обладают важными преимуществами: они функционируют при комнатной температуре и отличаются простотой и низкой стоимостью производства. Данное исследование было поддержано программой «Приоритет 2030».
Развитие оптических компьютеров требует создания передовых элементов интегральной фотоники, в том числе сверхскоростных оптических чипов. В таких системах информация передается не посредством электронов, а с помощью фотонов. Частицы света обеспечивают значительно большую пропускную способность и способны переносить данные на огромные расстояния — десятки километров — практически без потерь и искажений.
Однако существует фундаментальное препятствие: прямая передача данных от одного фотона к другому невозможна из-за их линейной природы. Для эффективного управления светом с помощью света необходим «посредник» — материал, обладающий оптической нелинейностью. Уникальность такого материала заключается в том, что его оптические свойства напрямую зависят от интенсивности падающего на него света. Изменяя эту интенсивность, можно точно контролировать прохождение информационных фотонов, например, блокируя или пропуская их. Это напоминает работу регулировщика на оживленном перекрестке, который управляет потоком машин, проезжающих по «дороге» — в данном случае, материалу с оптической нелинейностью.
В поисках идеальной нелинейной оптической среды, ученые уделяют особое внимание экситон-поляритонам. Эти гибридные квазичастицы возникают в результате взаимодействия света с электрон-дырочными парами и объединяют в себе лучшие качества: минимальные оптические потери, высокую скорость и когерентность (идентичность всех фотонов) от фотонов, а также мощную оптическую нелинейность от экситонов. Эти свойства делают экситон-поляритоны идеальными кандидатами для выполнения сверхбыстрых оптических операций. К сожалению, в большинстве известных на сегодняшний день материалов эти квазичастицы стабильны только при чрезвычайно низких температурах, что серьезно ограничивает их практическое применение.
Команда исследователей из России, Германии, Швейцарии, Турции и Великобритании добилась существенного прогресса, впервые продемонстрировав возможность создания оптических элементов на основе экситон-поляритонных волноводов, используя именно галогенидные перовскиты. В отличие от большинства других материалов, перовскиты не только просты и экономичны в производстве, но и позволяют экситон-поляритонам существовать даже при комнатной температуре. «Можно продолжить нашу аналогию с регулировщиком: мы создали волновод, своего рода “улицу” — специальную платформу из перовскита MAPbBr3 (метиламмоний трибромосвинец) толщиной около 100 нанометров. По ней световые импульсы перемещаются, словно автомобили. Для “въезда” и “выезда” фотонов на эту “улицу” мы разработали специальные элементы ввода и вывода — “съезды”. Главная особенность нашей “улицы” в том, что она нелинейна: ее свойства изменяются под воздействием самих импульсов. Например, фотон-“легковушка” практически не оказывает влияния на “покрытие”, тогда как мощный “грузовик” — ультракороткий интенсивный импульс — буквально “проминает асфальт”, вызывая изменение его свойств. Мы впервые глубоко изучили распространение таких импульсов в перовскитовых волноводах и убедительно показали, что этот материал обладает исключительно сильными нелинейными характеристиками. Это открывает прямой путь к созданию сверхбыстрых оптических чипов, где управление светом будет осуществляться светом, без какой-либо электроники», — пояснил Никита Глебов, инженер физического факультета ИТМО и один из авторов исследования.
В ходе экспериментов, варьируя энергию и частоту входного импульса и анализируя выходной результат, ученые зафиксировали несколько уникальных нелинейных оптических эффектов, характерных для галогенидных перовскитов. Так, одиночный импульс может разделяться на два, изменять свою форму и ширину. Исследование также показало, что разработанная платформа способна поддерживать два принципиально различных режима распространения импульса: от формирования оптических солитонов, которые стабильны и устойчивы к искажениям при передаче информации, до создания ударной волны. Контролируя переходы между этими режимами, исследователи получают возможность гибко управлять силой нелинейности среды, что в перспективе позволит создавать высокопредсказуемые и адаптируемые сверхбыстрые чипы, транзисторы и другие оптические устройства на основе галогенидных перовскитов.
«Перовскиты представляют собой уникальную и новую платформу для разработки оптических интегральных схем. Их преимущества очевидны: невысокая стоимость и способность обеспечивать сверхбыстрые и мощные модуляции оптического сигнала. Однако для реализации полноценной фотонной интегральной схемы на базе перовскитов еще предстоит решить ряд технических задач. В частности, наша команда работает над интеграцией разработанного дизайна с дополнительным каналом модуляции, использующим оптическое или электрическое воздействие. Это необходимо для выполнения оптических вычислений, включая создание сверхбыстрого оптического транзистора. Кроме того, на основе новых архитектур мы продолжаем исследования в области разработки сверхчувствительных газовых сенсоров», — рассказал Сергей Макаров, главный научный сотрудник физического факультета ИТМО и один из ключевых авторов исследования.
