Российские ученые нашли материалы для энергонезависимых оптических чипов будущего
Ученые НИТУ МИСИС совместно с коллегами из МИЭТ, МПГУ, НПК «Технологический центр», ВШЭ и Российского квантового центра определили наиболее перспективные материалы для изготовления фотонных чипов, которые управляются светом непосредственно на микросхеме и могут применяться для создания фотонной памяти, полностью оптических нейроморфных сетей и других устройств для передачи и обработки информации.
Сфера применения фотонных чипов обширна. Они могут использоваться в оптических процессорах для ускорения матричных умножений, которые лежат в основе обучения и работы нейросетей; экспресс-диагностике заболеваний с помощью спектрального анализа света; передаче данных на сверхвысоких скоростях через оптоволокно; в компактных твердотельных лидарах для сканирования пространства вокруг беспилотных машин; генерации и распределения квантовых ключей в системах защищенной квантовой связи; высокоточных оптических датчиках для промышленности, экологии и сельского хозяйства.
«Для управления светом на чипе мы исследовали специальные фазопеременные материалы, которые могут менять свое состояние под действием коротких лазерных импульсов. В разных состояниях материал имеет либо упорядоченную (кристаллическую), либо неупорядоченную (аморфную) структуру с сильно отличающимся показателем преломления. После воздействия лазера образец сохраняет определенное состояние и его можно использовать для хранения информации», — рассказал один из авторов исследования, главный научный сотрудник Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС, доктор физико-математических наук Григорий Гольцман.
Ученые сравнили пять составов на основе различных полупроводниковых соединений германия, сурьмы и теллура и выбрали наиболее перспективные. Все материалы наносили на одинаковые волноводы из нитрида кремния, по которым свет распространяется внутри чипа. Это позволило сравнить свойства материалов, не меняя конструкцию самого устройства. Важно было понять, насколько сильно материал меняет прохождение света, и как быстро происходит это изменение. Лучшее сочетание контраста и скорости переключения показали составы Ge₁Sb₂Te₄ и Ge₁Sb₄Te₇. По мнению исследователей, они могут прийти на смену широко используемому сегодня Ge₂Sb₂Te₅.
«Результат может измениться при использовании волноводов из других материалов, например, кремния на изоляторе, или лазерных импульсов с другими параметрами волны, поэтому для каждого материала требуется дополнительная настройка. Полученные результаты показывают, что состав материала напрямую влияет на то, насколько хорошо он подходит для управления светом на чипе. При этом нельзя выбрать материал только по одному показателю — важно учитывать одновременно и величину изменения сигнала, скорость переключения, а также размеры ячейки материала на волноводе из нитрида кремния», — отметил Алексей Проходцов, инженер-исследователь лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.
По мнению исследователей, полученные результаты могут стать основой для дальнейшей разработки фотонных устройств с энергонезависимой памятью — то есть таких, которые сохраняют записанное состояние без постоянной подачи энергии.
«В перспективе подобные технологии могут использоваться в фотонных вычислениях и устройствах, способных хранить и обрабатывать информацию с помощью света. Для практического применения выбранных материалов еще необходимо проверить их долговечность, стабильность работы и сохранение записанного состояния», — добавил Алексей Невзоров, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник центра квантовых коммуникаций НТИ НИТУ МИСИС.
Исследование выполнено в рамках гранта Российского научного фонда и при финансовой поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет-2030» нацпроекта «Молодежь и дети».