Ученые из лаборатории нанооптики и плазмоники центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ разработали новый метод передачи данных, который позволит уменьшить размеры оптических и оптоэлектронных элементов и увеличить быстродействие компьютеров в десятки раз: они нашли способ избавиться от потерь энергии при использовании поверхностных плазмонов в оптических устройствах, — говорится в статье, опубликованной в журнале Optics Express.
Поверхностные плазмон-поляритоны уже предлагались на роль носителей информации при передаче данных, однако проблема состояла в том, что сигнал крайне быстро затухал при распространении по волноводам. Нам удалось решить эту проблему, что открывает дорогу к созданию нового поколения быстродействующих оптоэлектронных чипов», — говорит руководитель исследования Дмитрий Федянин.
Современная электроника основана на использовании электронов в качестве носителей информации, однако они перестают отвечать современным требованиям: классические медные провода и дорожки на чипах уже не могут передавать информацию с достаточной для современных процессоров скоростью. Это уже сегодня ограничивает рост производительности микропроцессоров, и для поддержания закона Мура требуется внедрение принципиально новых технологий.
Переход от электрических импульсов к оптическим может решить эту проблему. Высокая частота оптического диапазона (это сотни терагерц) позволяет передавать и обрабатывать больше данных, а значит, повысить быстродействие. Оптоволоконные технологии широко используются в коммуникационных сетях, но использование света в процессорах и логических элементах наталкивается на проблему дифракционного предела: размеры волноводов и других оптических элементов не могут быть значительно меньше длины волны. Для ближнего инфракрасного излучения, которое используется для передачи данных, это микроны, что никак не соответствует требованиям к современной электронике. Логические элементы «обычных» современных процессоров имеют размеры в десятки нанометров. Оптическая электроника может стать конкурентоспособной, если удастся «сжать» свет до этого масштаба.
Обойти дифракционный предел становится возможным, если перейти от фотонов к поверхностным плазмон-поляритонам — коллективным возбуждениям, представляющим собой взаимодействие между фотонами и колебаниями электронов в металле на границе между металлом и диэлектриком. Их также называют квазичастицами, потому что по своим свойствам они в значительной степени похожи на обычные частицы, такие как фотоны или электроны. В отличие от объемных световых волн, поверхностные поляритоны «держатся» за границу раздела двух сред, являясь поверхностными электромагнитными волнами. Это позволяет перейти от привычной трехмерной оптики к двумерной.
«Грубо говоря, фотон в пространстве занимает определенный объем, порядка длины волны света. Мы можем “сжать” его, преобразовав в поверхностный плазмон-поляритон. Соответственно, используя такой подход, удается повысить степень интеграции и снизить размеры оптических элементов. Но у этого замечательного решения, к сожалению, есть обратная сторона. Для того, чтобы существовал поверхностный плазмон-поляритон, нужен металл, точнее электронный газ в нем. А это влечет за собой запредельно высокие Джоулевы потери, подобные тем, что мы имеем, пропуская постоянный ток по металлическим проводам, но только на оптических частотах», — говорит Федянин.
По его словам, из-за поглощения в металле энергия плазмонов на расстоянии около миллиметра падает в миллиарды раз, что фактически лишает смысла попытки использовать их на практике.
Рис.1. Схема гибридного плазмонного волновода на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник
«Наша идея состоит в том, чтобы скомпенсировать потери, закачивая дополнительную энергию в поверхностные плазмон-поляритоны. Если мы хотим интегрировать плазмонные волноводы в чипы, то можно использовать только электрическую накачку», — поясняет ученый.
Он и его коллеги Дмитрий Свинцов и Алексей Арсенин из лаборатории нанооптики и плазмоники разработали новый метод электрической накачки плазмонных волноводов на основе МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник) и провели его моделирование. Расчеты показывают, что пропускание относительно слабых токов накачки через наноразмерные плазмонные волноводы позволяет полностью компенсировать потери поверхностных плазмонов, а значит, становится возможным передавать сигнал без потерь на большие (по меркам чипа) расстояния. При этом степень интеграции таких активных плазмонных волноводов на порядок выше, чем фотонных.
Рис.2. Распределение плотности энергии в волноводе
«В оптоэлектронике всегда приходится находить компромисс между оптическим и электрическими свойствами, что зачастую невозможно в плазмонике, где выбор металлов ограничен тремя-четырьмя материалами. Основным достоинством предложенной схемы накачки является ее независимость от свойств контакта металл-полупроводник. Подбирая под каждый полупроводник диэлектрик, можно добиться такой же эффективности, как в случае гетероструктурных лазеров, при этом сохранив характерные размеры плазмонной структуры на уровне 100 нанометров», — говорит Федянин.
Авторы исследования отмечают, что полученные ими результаты еще ждут экспериментальной проверки, но ключевое препятствие устранено.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда #14-19-01788 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5–100» .
