Физики нашли подходящий материал для фотонных интегральных схем

AvEIO50os-U1

Группа исследователей применила для создания нового типа электроники плазмоны.

На фото: Схема работы нового устройства. Красными полукругами на серебряном штыре показаны фотоны. Иллюстрация Michael Osadciw, Creative Services, University of Rochester

Группа ученых из Университета Рочестера и Швейцарского технологического института разработала схему работы интегральных фотонных схем с помощью одноатомного слоя дисульфида молибдена. Важную роль в работе новой схемы играют плазмоны. Статья ученых появилась в журнале Optica, а ее краткое изложение приводит Университет Рочестера.

Устройство, созданное учеными, представляет собой серебряный наностержень — плазмонный волновод, один конец которого покрыт слоем дисульфида молибдена атомной толщины. Дисульфид молибдена — это полупроводниковый материал, обладающий свойствами фотолюминисценции и потенциалом в качестве транзистора и фотодетектора. Причина использования именно атомного слоя сульфида молибдена, то есть двумерного кристалла, аналогичного знаменитому графену, состоит в более эффективной передаче энергии между электронами и фотонами по сравнению с объемным образцом.

Учеными было продемонстрировано, что при возбуждении лазером плазмон-поляритоны на поверхности серебряного стержня слой дисульфида молибдена продемонстрировал сильную фотолюминисценцию. Обратно фотолюминисценция в слое молибдена может быть превращена в плазмон, который, достигнув противоположного конца стержня, будет переотражен в виде фотона.

Далее ученые планируют использовать полученные результаты для создания ближнепольного фотодетектора либо светоизлучающих диодов, связанных с наноплазмонной схемой. Таким образом, данное исследование — это еще один шаг на пути создания новых высокоскоростных устройств передачи информации, квантовых компьютеров.

Фотонная интегральная схема идейно напоминает электронную интегральную схему. В то время как последняя объединяет множество транзисторов, конденсаторов и резисторов, фотонная интегральная схема объединяет различные оптические компоненты — такие как лазеры, модуляторы, детекторы, аттенюаторы, мультиплексоры, демультиплексоры и оптические усилители. Фотонная технология передачи обладает рядом преимуществ по сравнению с электронной: большая пропускная способность, скорость передачи, отсутствие потерь на Джоулево тепло и перевод данных из оптических сетей в электронные, а также возможность использовать такие многообещающие технологии, как квантовая криптография.

pjBdD tio5s1

Вид ультраширокополосного лазерного луча, на выходе из волокна одномодового фотонного кристалла, при отсутствии искажений (белая точка)

Однако существует множество технологических ограничений, которые в настоящий момент делают применение фотонных интегральных схем непрактичным по сравнению с электронными интегральными схемами. Например, оптические компоненты должны быть соединены волноводами, размеры которых не могут быть много меньше длины волны, и которые не могут делать слишком резких поворотов.

Кроме того, оптические соединения являются гораздо более критичными, чем электрические контакты, а компенсация оптических потерь требует применения оптических усилителей, которые более сложны и обладают большими размерами по сравнению с электронными усилителями. Наконец, некоторые типы оптических компонентов невозможно уменьшить. Комбинация двух технологий в единое электрооптическое интегральное устройство, возможно, поможет объединить достоинства и нивелировать недостатки двух технологий.

Одним из многообещающих решений для преодоления вышеописанных недостатков оптических интегральных схем является использование поверхностных плазмон-поляритонов — технологии, позволяющей одновременно конструировать волноводы субволнового размера и проявляющей сильно выраженное взаимодействие света с веществом. Поверхностный плазмон-поляритон — это поверхностная электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль границы металл-диэлектрик или металл-воздух. Термин «плазмон-поляритон» отражает тот факт, что в случае, когда электромагнитная волна возникает на поверхности проводника, возникает и ее взаимодействие с электронами проводимости, которые передвигаются по кристаллу, сталкиваясь между собой на фоне положительно заряженных ионов.

Плазмон-поляритон распространяется вдоль поверхности проводника так же, как свет распространяется вдоль волновода, а перпендикулярно поверхности такая поверхностная волна локализировна с субволновым размером. Таким образом, использование поверхностных плазмон-поляритонов может существенно миниатюризировать оптические интегральные схемы.