Как нелинейная диэлектрическая и гибридная нанофотоника может изменить будущее электронных устройств
Все современные электронные устройства используют для работы электрические сигналы. В свою очередь, для передачи данных на большие расстояния используется оптическое волокно, в котором носителями информации являются световые импульсы. Для трансформации одних импульсов в другие используют разного рода детекторы и модуляторы. Однако существующие электронные модуляторы работают с ограниченными скоростями — тактовая частота современных процессоров, которая показывает нам, сколько процессор может произвести вычислений за единицу времени, измеряется единицами гигагерц. Перейти в область десятков, сотен гигагерц или даже терагерц может помочь создание оптических модуляторов на основе нелинейных перестраиваемых полупроводниковых и гибридных наноантенн, считают старшие научные сотрудники кафедры нанофотоники и метаматериалов Александр Краснок и Сергей Макаров.
Принцип действия такого сверхбыстрого оптического модулятора на основе одиночной кремниевой наночастицы, созданной и управляемой фемтосекундными лазерными импульсами, ученые Университета ИТМО продемонстрировали в цикле работ, посвященном нелинейным перестраиваемым полупроводниковым и гибридным наноантеннам. Сергей Макаров и Александр Краснок предложили концептуально новый принцип модуляции за счет перестройки диаграммы направленности рассеянного модулируемого лазерного импульса. Специалистам Университета ИТМО удалось добиться скорости работы оптического ключа в несколько пикосекунд, что соответствует скорости модуляции оптического сигнала на уровне 100-1000 ГГц. Глубина модуляции сигнала составила 20%. При этом предлагаемое устройство имеет размер менее 200 нанометров. Также авторы разработали маршрутизаторы сопоставимых размеров, позволяющие сверхбыстро поворачивать пучок света.
«Чтобы перейти в область десятков, сотен гигагерц и даже терагерц, нужны более быстрые процессы, более быстрая работа затворов. И, собственно, такими затворами, сверхбыстрыми модуляторами могут быть наноантенны, для которых мы подобрали специальную нелинейность, позволяющую модулировать сигнал довольно быстро. Если мы переложим на время скорость модуляции, которую мы показали, это несколько пикосекунд. То есть это в 100 раз быстрее, чем то, что есть на сегодняшний момент. И потенциально мы видим прогресс в применении этих устройств», — объясняет Сергей Макаров.
Совместная работа над циклом исследований в области диэлектрической нанофотоники началась два года назад — Александр Краснок, до этого занимавшийся исследованием субволновых диэлектрических антенн в микроволновом диапазоне, и Сергей Макаров, работавший в области взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с наноструктурами, решили объединить подходы. За первые полгода ученые провели первое исследование и опубликовали работу по перестраиваемым наноантеннам из кремния. Исследование вызвало резонанс в СМИ и научной среде. Тогда ученые решили, что работу стоит продолжать, а позже им удалось экспериментально показать, что на основе таких перестраиваемых наноантенн можно создавать сверхбыстрые оптические модуляторы.
Разработкой уже заинтересовались такие компании, как Samsung. А в июне 2017 года с циклом работ, посвященных нелинейным перестраиваемым полупроводниковым и гибридным наноантеннам, Александр Краснок и Сергей Макаров стали лауреатами премии Фонда поддержки образования и науки (Алферовский фонд). Фонд был учрежден в 2001 году лауреатом Нобелевской премии академиком Жоресом Алферовым. Уже более 10 лет Алферовский фонд присуждает премию и золотую медаль за лучшую научно-исследовательскую работу в области естественных наук для молодых ученых до 33 лет.
«Разработки лауреатов открыли новое направление – “нелинейная диэлектрическая и гибридная нанофотоника”, которое является одной из наиболее перспективных платформ для разработки полностью оптических компьютеров, а также новых информационных технологий», — отмечается в сообщении, опубликованном на сайте Фонда.
Следующим шагом на пути к созданию сверхбыстрых оптических устройств станет решение инженерных задач, говорит Сергей Макаров.
«Еще предстоит решить, как это интегрировать в оптический чип, реализовать в “железе”. Тем не менее, с научной точки зрения на многие базовые вопросы мы нашли ответы. И особо приятно, что по нашим стопам идут другие научные коллективы. Специалисты продолжают тестировать разные материалы, разные подходы, чтобы развивать дальше эту идею», — уточняет старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Не только кремний: как перовскиты позволят создавать новые лазеры, светодиоды и солнечные батареи дешевле и эффективнее
Параллельно Сергей Макаров ведет работу в новой лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, созданной в рамках мегагранта, полученного Университетом ИТМО совместно с профессором Техасского университета в Далласе Анваром Захидовым. Здесь будет вестись создание оптоэлектронных устройств с качественно новой функциональностью. За основу международная команда возьмет гибридные перовскиты, а на выходе планирует получить улучшенные светодиоды (LED), новые лазеры (например, инжекционные гибкие лазеры и даже поляритонные лазеры), солнечные элементы и фотоприемники.
Еще в 2013 году журнал Science включил новые гибридные перовскиты в список прорывных технологий на правах перспективного элемента для солнечных батарей. Тогда же ученые обнаружили, что их КПД применительно к фотовольтаике и светодиодам практически сопоставим с традиционными лучшими полупроводниками, такими как, например, кремний или арсенид галлия. При этом технология их изготовления позволяет применять их на любых гибких основах — от листа бумаги или полимерной пленки до ткани (Подробнее об истории изучения перовскитов, о том, что такое гибридные перовскиты и какие новые возможности они открывают, читайте здесь). И наконец, обладают гибридные перовскиты еще одним преимуществом: работать с ними гораздо дешевле, чем создавать дорогие устройства на основе кремния.
«Основные ограничения при создании устройств на основе традиционных и уже хорошо отработанных полупроводников, например, кремния, связаны с тем, что это очень дорогостоящая технология. Позволить себе полностью оборудованные под нанолитографию помещения высокого класса чистоты, которых в России всего несколько штук, могут далеко не все. Наша идея заключается в том, чтобы использовать перовскиты, которые также являются полупроводниками и при этом мягкими материалами. На стадии своего формирования они представляют собой жидкость, которую очень легко наносить на поверхность. И при этом не потребуются специальные машины для эпитаксии, где при традиционных отработанных технологиях необходимо долгое время кропотливо наращивать слои. Здесь все делается гораздо проще: смешали реагенты, нанесли на одни контакты, раскрутили тонким слоем на спинкоатере, покрыли другими контактами, и все, тестовое устройство готово», — объясняет Сергей Макаров.
Оснащение лаборатории оборудованием пока продолжается. Недавно сюда прибыло «сердце лаборатории» — так называемые гловбоксы, в которых будут создаваться перовскитные солнечные элементы, светодиоды, фотодетекторы, транзисторы и другие устройства. При этом, если при создании солнечных батарей перовскиты уже успели себя показать (на данный момент ученым удалось добиться эффективности перовскитных солнечных элементов на уровне 15-20% — это пока ниже, чем у очень дорогих кремниевых, но уже гораздо выше, чем у органических солнечных элементов), в случае со светодиодами еще предстоит достичь впечатляющих результатов.
«Главная проблема — та же самая стабильность, кроме того, пока не все перовскиты имеют высокую эффективность свечения, поэтому нам еще предстоит “играть” с составами, подбирать наиболее эффективные элементы, — рассказывает руководитель лаборатории гибридных материалов и оптоэлектроники. — Уже очевидно, что в солнечных элементах гибридные перовскиты — это, своего рода, superstar, они показали высокую эффективность, про LED так пока сказать нельзя. Именно поэтому в дальнейшем мы и планируем вести исследования в этой области, после того как добьемся устойчивых результатов в фотовольтаике. Наша основная ниша — это перовскитная нанофотоника: мы делаем из гибридных перовскитов метаповерхности, наночастицы, которые будут являться наноразмерными источниками света и могут быть задействованы в составе тех же самых оптических компьютеров».
Уже до конца года лаборатория должна заработать в полную силу. На начальном этапе здесь будет задействовано 10 специалистов. Кроме того, ученые Университета ИТМО планируют налаживать дальнейшее сотрудничество с ведущими европейскими научными центрами. Например, недавно состоялась встреча с одним из первопроходцев органической фотовольтаики и признанным авторитетом в этой области Майклом Гретцелем (Michael Graetzel). Профессор из Лаборатории фотоники и интерфейсов Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL — École polytechnique fédérale de Lausanne) выразил готовность организовывать совместно со специалистами Университета ИТМО краткосрочные стажировки, а также программы по обмену для аспирантов.
А уже 7 июля Университет ИТМО соберет ведущих мировых специалистов в области нанофотоники и метаматериалов. В Петербург приедут профессор Римского университета Тор Вергата Альдо Ди Карло (Aldo Di Carlo), профессор Техасского университета в Далласе Анвар Захидов, профессор университета Аалто (Финляндия) Константин Симовский, а также представители высокотехнологичных компаний. В рамках международного воркшопа ученые и представители индустрии обсудят последние разработки в области фотовольтаики, оптоэлектроники, а также перспективы создания устройств с качественно новой функциональностью.
