Изобретение российских ученых поможет создать оптоэлектронные чипы нового поколения
25.07.2022
Уникальный метод формирования оптических наноантенн, разработанный российскими учеными, поможет увеличить производительность электроники и компьютеров. Способ основан на новом источнике оптического излучения с электрическим управлением, который позволит многократно ускорить передачу информации внутри микросхем.
Исследованием занимались физики из Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета им. Ж.И. Алфёрова РАН (СПбАУ), Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), Национального исследовательского университета ИТМО, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), — все эти вузы входят в консорциум Центра компетенций НТИ «Фотоника».
По словам ученых, повышение производительности систем обработки информации стало одной из главных задач развития вычислительной техники. Сегодня для этого широко используется прием параллельной работы многих вычислительных ядер в составе процессора. При этом оказывается, что скорость связи ядер между собой влияет на общую производительность устройства даже сильнее, чем скорость работы отдельных ядер.
«Как показывает практика, наибольшая скорость соединения может быть достигнута с помощью оптоволоконных линий, широко используемых, например, для связи между рабочими станциями. Но для связи внутри вычислительных блоков по-прежнему применяются классические металлические проводники. Поэтому интеграция фотонных и электронных элементов в оптоэлектронные микрочипы нового поколения с внутренними оптическими линиями может помочь в увеличении производительности вычислений за счет роста скорости потоков информации внутри микросхемы», — отметил старший научный сотрудник лаборатории Возобновляемых источников энергии Алферовского университета Денис Лебедев.
Все элементы фотоники можно разделить на три большие группы по их предназначению: источники оптических сигналов, устройства их обработки и средства передачи информации. Сверхкомпактный электрически управляемый источник оптического излучения должен стать одним из ключевых элементов новой оптоэлектронной системы. Но существующие решения в этой области все еще недостаточно хороши для широкого применения в интегральных оптоэлектронных схемах. Например, лазеры с вертикальным резонатором, микрокольцевые/микродисковые лазеры или лазеры на основе одиночных наночастиц используют оптические резонаторы, геометрические размеры которых слишком велики — много больше типичного размера затвора кремниевого транзистора.
Группа ученых предложила свою концепцию наноразмерного источника оптического излучения, использующего явление локального плазмонного резонанса (то есть резонансные колебания электронов).
«Важнейшее отличие плазмонных резонаторов и антенн от обычных микрорезонаторов состоит в значительно меньших геометрических размерах. В предложенном источнике фотоны рождаются в результате так называемого «неупругого туннелирования электронов» — квантового явления, сопровождающего протекание туннельного тока через узкий вакуумный зазор, «наноконтакт», — пояснил Денис Лебедев.
Эффективность источника оказывается наибольшей, если наноконтакт находится в связи с наноантенной — структурой, увеличивающей локальную плотность оптических состояний за счет явления плазмонного резонанса и позволяющей излучать фотоны в ту область пространства, откуда далее они поступят в оптическую линию.
Также авторами проекта была разработана оригинальная методика формирования оптических наноантенн с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Через зонд микроскопа подавался импульс тока, локально воздействовавший на поверхность пленки, состоявшей из слоев золота и кремния. В месте воздействия формировалась композитная структура, обладавшая свойствами оптической наноантенны при размере всего лишь 60 нанометров. Туннельный микроскоп позволяет позиционировать острие зонда с точностью до доли нанометра, формируя массивы наноантенн на нужных участках микрочипа. В проведенных экспериментах было зарегистрировано оптическое излучение, генерируемое наноантеннами при их возбуждении туннельным током, который протекал через вакуумный наноконтакт, образованный зондом микроскопа и поверхностью чипа.
Таким образом, впервые наблюдалась работа нового источника оптического излучения размером менее 100 нм, что по порядку величины сопоставимо с характерными размерами элементов современных микрочипов. Полученные результаты открывают перспективу создания оптоэлектронных чипов нового поколения, обладающих высокой производительностью и эффективностью.
Исследованием занимались физики из Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета им. Ж.И. Алфёрова РАН (СПбАУ), Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), Национального исследовательского университета ИТМО, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), — все эти вузы входят в консорциум Центра компетенций НТИ «Фотоника».
По словам ученых, повышение производительности систем обработки информации стало одной из главных задач развития вычислительной техники. Сегодня для этого широко используется прием параллельной работы многих вычислительных ядер в составе процессора. При этом оказывается, что скорость связи ядер между собой влияет на общую производительность устройства даже сильнее, чем скорость работы отдельных ядер.
«Как показывает практика, наибольшая скорость соединения может быть достигнута с помощью оптоволоконных линий, широко используемых, например, для связи между рабочими станциями. Но для связи внутри вычислительных блоков по-прежнему применяются классические металлические проводники. Поэтому интеграция фотонных и электронных элементов в оптоэлектронные микрочипы нового поколения с внутренними оптическими линиями может помочь в увеличении производительности вычислений за счет роста скорости потоков информации внутри микросхемы», — отметил старший научный сотрудник лаборатории Возобновляемых источников энергии Алферовского университета Денис Лебедев.
Все элементы фотоники можно разделить на три большие группы по их предназначению: источники оптических сигналов, устройства их обработки и средства передачи информации. Сверхкомпактный электрически управляемый источник оптического излучения должен стать одним из ключевых элементов новой оптоэлектронной системы. Но существующие решения в этой области все еще недостаточно хороши для широкого применения в интегральных оптоэлектронных схемах. Например, лазеры с вертикальным резонатором, микрокольцевые/микродисковые лазеры или лазеры на основе одиночных наночастиц используют оптические резонаторы, геометрические размеры которых слишком велики — много больше типичного размера затвора кремниевого транзистора.
Группа ученых предложила свою концепцию наноразмерного источника оптического излучения, использующего явление локального плазмонного резонанса (то есть резонансные колебания электронов).
«Важнейшее отличие плазмонных резонаторов и антенн от обычных микрорезонаторов состоит в значительно меньших геометрических размерах. В предложенном источнике фотоны рождаются в результате так называемого «неупругого туннелирования электронов» — квантового явления, сопровождающего протекание туннельного тока через узкий вакуумный зазор, «наноконтакт», — пояснил Денис Лебедев.
Эффективность источника оказывается наибольшей, если наноконтакт находится в связи с наноантенной — структурой, увеличивающей локальную плотность оптических состояний за счет явления плазмонного резонанса и позволяющей излучать фотоны в ту область пространства, откуда далее они поступят в оптическую линию.
Также авторами проекта была разработана оригинальная методика формирования оптических наноантенн с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Через зонд микроскопа подавался импульс тока, локально воздействовавший на поверхность пленки, состоявшей из слоев золота и кремния. В месте воздействия формировалась композитная структура, обладавшая свойствами оптической наноантенны при размере всего лишь 60 нанометров. Туннельный микроскоп позволяет позиционировать острие зонда с точностью до доли нанометра, формируя массивы наноантенн на нужных участках микрочипа. В проведенных экспериментах было зарегистрировано оптическое излучение, генерируемое наноантеннами при их возбуждении туннельным током, который протекал через вакуумный наноконтакт, образованный зондом микроскопа и поверхностью чипа.
Таким образом, впервые наблюдалась работа нового источника оптического излучения размером менее 100 нм, что по порядку величины сопоставимо с характерными размерами элементов современных микрочипов. Полученные результаты открывают перспективу создания оптоэлектронных чипов нового поколения, обладающих высокой производительностью и эффективностью.
