Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Энергетические диаграммы p-n-перехода [2]
Рис.2. Зонные диаграммы двух фотонных кристаллов [2]
Рис.3. Классификация возможных вариантов управления световым потоком.
Рис.4. Карта противоречий: управление потоком фотонов

Рис.5. Принцип действия фотонного ключа [1]
Рис.6. Микрофотография фотонного чипа [1]

Проектирование перспективной элементарной базы для фотонных вычислителей

Ключевые слова:  периодика, фотоника

Автор(ы): Панченко Евгений Игоревич

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

27 сентября 2010

Введение

Физико-технические принципы формирования требуемых характеристик устройств электроники и мик­роэлектроники основаны на управлении движением электронов в кристаллической решетке твердого тела. По отношению к электронам как волнам де Бройля кристаллическая решетка представляет собой волновой фильтр. В результате деструктивной и конструктивной интерференции волн, отраженных от отдельных неоднородностей, формируются, соответ­ственно, полосы пропускания и подавления фильтра или разрешенные и запрещенные энергетические зоны в кристалле [1-4].

В последнее время интенсивно развиваются исследования искусственных периодических структур, аналогичных естественным кристаллам. Эти струк­туры составляют основу новых разнообразных ин­тегральных устройств обработки сигналов, прежде всего, наноэлектронных. Из таких кристаллоподобных структур значительное развитие получили полу­проводниковые сверхрешетки для электронов как волн де Бройля, фотонные кристаллы для электро­магнитных волн, фононные кристаллы для упругих волн. Частотная фильтрация в таких структурах с фор­мированием зон запрещенных энергий для электро­нов, фотонных и фононных запрещенных зон позво­ляет управлять прохождением волн, что обеспечивает значительные возможности в обработке сигналов [3-5].

За время, прошедшее после первой публикации по фотонным кристаллам (ФК), выполнен большой объем фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ, позволивших решить базовые физические и конструктивно-технологические вопросы разработки устройств на основе ФК для систем оптической связи и передачи информации, лазерной техники, квантовых компьютеров [1-5].

1. Концепция фотонных вычислителей

Как известно, основная идея, лежащая в любой вычислительной технике – это управление потоком электронов, идущих от источника. Проведя аналогию, можно сделать вывод, что для получения элементной базы для логических устройств на основе наноструктур с фотонной запрещенной зоной необходимо управлять потоком фотонов. Для этого необходимо получить так называемые фотонные полупроводники (по аналогии с электронными полупроводниками) [1].

Понятие запрещенных и разрешенных энергетических зон является основой твердотельной электроники. Как известно в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения. Энергетическая зона, содержащая энергии электрона, находящегося ближе к ядру атома, называется валентной зоной, дальше от ядра - зоной проводимости. Существует три основных вида веществ – проводники, изоляторы и полупроводники. В первых, валентная зона и зона проводимости пересекаются, у вторых ширина запрещенной зоны столь велика, что энергия необходимая для ее преодоления может разрушить сам материал. И последний тип – полупроводники, в них также имеется запрещенная зона, однако ее ширина намного меньше чем у изоляторов. Это и позволяет им иметь свойства, как проводников, так и изоляторов, в зависимости от различных факторов [1].

Фотонные кристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда. Практически, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует запрещённой зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует разрешённой зоне данного фотонного кристалла, то он может распространяться в фотонном кристалле. Другими словами, фотонный кристалл выполняет функцию оптического фильтра. Это позволяет использовать фотонные кристаллы для получения фотонных полупроводников.

Чтобы объяснить возможные принципы их работы, продолжим аналогию с теорией твёрдого тела. Как известно, работа обычных диодов и транзисторов основана на p-n-переходе между двумя полупроводниками, один из которых имеет электронную проводимость, а другой – дырочную.

На рисунке 1 изображены энергетические диаграммы p-n-перехода (для электронов и для дырок).

  • а) Состояние равновесия (разность уровней энергии соответствует так называемой контактной разности потенциалов);
  • б) При приложенном прямом напряжении (переход открыт);
  • в) При приложенном обратном напряжении (переход закрыт).

Для создания фотонного диода необходимо соединить два фотонных кристалла-полупроводника с различными положениями запрещенной зоны (по аналогии с электроникой, где необходимо соединить два типа полупроводников – с nи p проводимостью). На рисунке 2 показан переход между двумя такими кристаллами A и B.

При этом никакой контактной разности потенциалов, как в случае электронного диода, нет, но направление из B в A является прямым (фотон легко проходит через переход в этом направлении), а из A в B – обратным (фотон не проходит через переход, если разность энергий взаимодействия фотона с кристаллом достаточно велика).

Также возможно создать полный аналог электронного диода, в котором энергетическая диаграмма будет зависеть от «приложенного напряжения» (то есть, от разности концентраций фотонов в кристаллах A и B вблизи перехода). Предположим, что кристаллы представляют собой нелинейную среду, параметры которой (в частности, нижняя граница запрещённой зоны) зависят от концентрации фотонов. Пусть с ростом концентрации фотонов в материале A запрещённая зона понижается, а в материале B – повышается. Тогда, если фотоны распространяются из B в A (в прямом направлении), они при подходе к границе окажутся выше по энергии, чем граница запрещённой зоны в A, и переход будет энергетически выгодным. При распространении фотонов в обратном направлении произойдёт обратное: их уровень энергии в A понизится, и переход будет энергетически невыгодным (причём запирающий эффект усиливается с концентрацией).

Имея возможность создания фотонных диодов, можно создать и аналог транзистора в полном соответствии с электронным устройством. Как известно, транзистор состоим из двух p-n-переходов (или, во введённых нами для фотонных кристаллов обозначениях, A-B-переходов). Принципы работы фотонных транзисторов полностью аналогичны принципам работы электронных.

2. Выбор способа управления световым потоком

Из вышесказанного следует, что для управления потоком фотонов необходимо создать аналог электронного транзистора. Классификация возможных вариантов управления световым потоком представлены на рис. 3. Существует два основных подхода к управлению световым потоком в фотонном кристалле, которые представлены на диаграмме противоречий (рис. 4).

При проектировании полупроводниковых структур на основе фотонных кристаллов можно выделить как бы два основных «объекта» - сам фотонный кристалл и поток фотонов. Как уже говорилось ранее, существуют два основных метода управления световым потоком, каждый из которых предполагает неизменность одного из объектов.

Изменение длинны волны фотонов предполагает, что сам фотонный кристалл остается статичным и его свойства не меняются. В данном случае меняется свойства носителя сигнала - фотона. Данный метод имеет ряд существенных недостатков, главный из которых – появление сигналов, носителями которых являются фотоны с различными длинами волн. Это приводит к невозможности создания однотипных элементов, т.к приходится учитывать в каждом последующем элементе свойства сигнала, пришедшего с предыдущего элемента. Данный недостаток может сильно затруднить проектирование систем, содержащих большое количество элементов.

Второй метод – изменение ширины запрещенной зоны кристалла. В данном случае неизменным остается носитель сигнала – фотон. Данный метод более предпочтителен т.к позволяет создавать универсальные элементы, работающие с фотонами одной и той же длины волны. Фотонные полупроводниковые приборы, основанные на данном методе наиболее похожи на электронные полупроводниковые приборы (в частности транзисторы).

При управлении световыми потоками в фотонном кристалле важную роль играет нелинейность среды (об этом мы говорили выше). Управление потоками возможно за счёт:

  • Нелинейной зависимости поляризации или намагниченности среды от величины соответствующего поля (то есть, концентрация фотонов влияет на показатель преломления);
  • Нелинейной зависимости этих величин от внешних полей (электрического, т.е. от приложенного напряжения, или магнитного, т.е. от токов). Это позволяет создавать электронно-фотонные схемы.

3. Анализ существующих решений

Существуют опытные разработки по созданию элементов управления потоками фотонов и простейших логических элементов. Рассмотрим некоторые из них.

А) Управление шириной запрещенной зоны при помощи электрического тока.

Устройства данного типа в основном предназначены для «сопряжения» электронных схем с элементами оптических устройств, таких как оптоволоконные линии передач и др.

В этих устройствах используются материалы с выраженным эффектом Керра. Суть его заключается в изменении значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля. Т.е прикладывая к данному материалу разность потенциалов, можно изменять его коэффициент преломления.

В Корнелльском университете, США, исследователям удалось создать устройство, которое переводит электрический сигнал в модулируемый световой луч в наноразмерном диапазоне. При этом размеры фотонного устройства позволяют использовать его в маршрутизаторах, оптоволоконных сетях и микропроцессорах. Данное устройство было названо «фотонным транзистором» или «фотонным модулятором».

В основу нанофотонного модулятора лег кольцевой резонатор, который отстоит от прямого светового волновода на 200 нанометров (см. рис. 5). Свет, проходящий через прямой отрезок волновода, множество раз огибает кольцевой резонатор. От диаметра кольца напрямую зависит длина волны светового пучка на выходе из резонатора. Ученые использовали диаметры 10 и 12 микрон и получили свет с длиной волны 1555 нм и 1576 нм соответственно.

Как только на микросистему подают напряжение, электроны и дырки поступают в область волновода, изменяя его оптический коэффициент преломления. Соответственно, у волновода изменяется резонансная частота света, который он может пропускать. Таким образом, напряжение "запирает" свет, проходящий через прямой отрезок волновода.

Использование кольцевого резонатора, позволило избавиться от необходимости использовать длинные участки волноводов для достижения нужного эффекта.

Б) Управление шириной запрещенной зоны при помощи магнитного поля.

Для получения фотонных кристаллов, управляемых магнитным полем, необходимо чтобы кристалл был легирован ферромагнитными наночастицами, такими как NiZnFe-шпинель. Данные кристаллы могут использоваться для построения различных датчиков магнитного поля.

Для успешного применения магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц в управляемых магнитным полем электронных приборах СВЧ-диапозона необходимо решить несколько проблем. Во-первых, добиться оптимальных условий взаимодействия волны с матрицей, чтобы обеспечить наибольшую величину эффекта. Во-вторых, выбрать схему включения элемента, содержащего полученную матрицу, в СВЧ тракт. В третьих, выбрать условия измерений таким образом, чтобы добиться управления с помощью магнитного поля возможно меньшей величины.

Заключение

Переход от электроники к фотонике может дать огромные возможности, такие как повышение быстродейтсвия, снижение потребляемой мощности, миниатюризация и т.д. Множество фирм и научных институтов ведут исследования с целью получения доступной и экономически выгодной технологии производства элементной базы на основе кристаллов с фотонной запрещенной зоной.

В настоящее время основными задачами являются:

  • разработка логической модели логических элементов на кристаллах с фотонной запрещенной зоной.
  • проведение моделирования характеристик элементов в САПР Comsol Multiphysics, RSOFT Fullwave и MPB.
  • разработка технологии производства элементной базы для фотонных вычислителей на основе кристаллов с фотонной запрещенной зоной и получение прототипов.
  • экспериментальные исследования параметров полученных образцов.

Список использованных источников

  1. Свидиненко Ю. Фотонные транзисторы в кремниевом исполнении. (электронная публикация)
  2. Фотонные кристаллы (решения) // Сборник задач олимпиады "Нанотехнология прорыв в будущее". - М.: "Нанометр". 2009. (электронное издание).
  3. K. Asakawa, Y. Sugimoto, Y. Watanabe, N. Ozaki, A. Mizutani, Y. Takata, Y. Kitagawa, H. Ishikawa, N. Ikeda, K. Awazu, X. Wang, A. Watanabe, S Nakamura, S. Ohkouchi, K. Inoue, M. Kristensen, O. Sigmund, P.I. Bore, and R. Baets, "Photonic crystal and quantum dot technologies for all-optical switch and logic device, " New J. Phys., Vol. 8, 2006, p. 208.
  4. A. Figotin, Y.A. Godin, and I. Vitebsky, "Two-dimensional tunable photonic crystals, " Physical Review B, Vol. 57, 1998, p. 2841.
  5. D. Vujic and S. John, "Pulse reshaping in photonic crystal waveguides and microcavities with Kerr nonlinearity: Critical issues for all-optical switching, " Physical Review A, Vol. 72, 2005, p. 013807.


В статье использованы материалы: МГТУ


Средний балл: 8.2 (голосов 5)

 


Комментарии
Gromolyot, 28 сентября 2010 00:18 
"основная идея, лежащая в любой вычислительной технике – это управление потоком электронов, идущих от источника"
Смею не согласиться. Основные идеи глубже и абстрактнее, имеют логико-математический характер. Физическая реализация - от механики и пневмоники (струйной автоматики) до приборов с зарядовой связью где потоки электронов в явном виде не присутствуют.
Переход от электроники к фотонике может дать огромные возможности, такие как повышение быстродейтсвия, снижение потребляемой мощности, миниатюризация и т.д.

В тексте публикации нужно обосновать, снижение потребляемой мощности, миниатюризация

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Многослойный мир
Многослойный мир

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

II Всероссийский химический диктант пройдет 18 мая 2019 года
В 2019 году периодическому закону Дмитрия Менделеева исполнится 150 лет! В честь великого открытия этот год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Одним из наиболее ярких событий, приуроченных к этому году, станет II Всероссийский химический диктант, который пройдет 18 мая и который в этом году выходит на международный уровень. Мероприятие было анонсировано в рамках церемонии открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 года в Париже, в штаб-квартире ЮНЕСКО.

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.