Современные компьютеры, работающие на кремниевых микросхемах, позволяют выполнять миллионы операций в секунду. Оптоволоконные линии связи дают возможность передавать терабайты информации между зданиями, городами и даже континентами. Проблемы возникают на стыке между кабелем и чипом, когда электрический сигнал, кодирующий информацию, надо преобразовать в световой, чтобы передать на сервер, или наоборот. Также внутри или между чипами для уменьшения потерь на выделение тепла было бы желательно перейти от металлических проводников к оптическим.  

«К сожалению, сам по себе кремний слабо взаимодействует со светом: он плохой излучатель и поглотитель фотонов. Или, пожалуй, к счастью — иначе наши компьютеры и мобильные телефоны скорее бы светились, чем работали. Тем не менее, "научить" кремниевые микросхемы все-таки эффективно взаимодействовать со светом — чрезвычайно важная задача», — комментирует профессор МГУ и научный сотрудник Института общей физики РАН Сергей Тиходеев.  

Над ее решением бьются научные группы во всем мире. Преодоление «трудностей перевода» электрического сигнала в световой может дать существенный рост скорости обмена данных между серверами и компьютерами. Среди тех, кто работает в этой области, большая группа ученых из России, в которую входят сотрудники ИТМО, Института общей физики РАН, Института физики микроструктур РАН, Сколтеха и МГУ.    

«Остров» надежды

Большие надежды по созданию кремниевых микросхем, которые эффективно бы взаимодействовали со светом, возлагают на оптоэлектронные интегральные системы. Проще говоря, это кремниевые структуры, эффективно обрабатывающие электронный сигнал, на которых есть квантовые точки (нано-островки) германия или другого светоактивного материала. Эти наноостровки способны излучать свет на длине волны в 1,55 микрона, то есть ровно в том диапазоне, в котором передается информация по оптоволокну.    

Однако существует проблема — такие наноскопические островки на кремниевой подложке очень плохо излучают свет.

«Достигнутый уровень эффективности излучательной рекомбинации, существующая фотолюминесценция, для кремниево-германиевых структур слишком низка для возможности их практического использования в качестве источников излучения в CMOS-совместимых оптоэлектронных интегральных схемах», — объясняет научный сотрудник Института Физики Микроструктур РАН Алексей Новиков.

Проще говоря, яркости света таких наностровков не хватает, чтобы закодировать и передать данные в виде оптического сигнала в кабель.  

Игра на повышение

Чтобы яркость свечения усилить, российские ученые решили использовать специальные оптические резонаторы, которые позволяют «накапливать» и тем самым усиливать оптический сигнал. Разработкой таких резонаторов активно занимаются на физическом факультете Университета ИТМО.

«Если источник света недостаточно мощный, то можно использовать резонаторы, которые способны значительно усиливать падающее излучение внутри их объема, эффективно накапливая фотоны — частицы света, — дает пояснение доцент Университета ИТМО Андрей Богданов. — Относительно недавно стали активно исследоваться оптические резонаторы на основе связанных состояний в континууме. Оптики позаимствовали эту идею из квантовой механики. Эффективное удержание света внутри резонатора происходит благодаря тому, что симметрия электромагнитного поля внутри резонатора не соответствует симметрии электромагнитных волн окружающего пространства. Благодаря этому свет эффективно удерживается внутри резонатора».

То есть световой сигнал, попав в такой резонатор, не сразу переизлучается, а некоторое время копится в нем, набирая силу. Благодаря использованию таких структур, ученым удалось усилить свечение германиевых «островков» на кремниевой подложке более чем в сто раз.

«Это достигается за счет того, что хорошо известный закон  полного внутреннего отражения неприменим к структуре с неплоскими границами, подобно тому, как неприменим этот закон при отражении света от поверхности компакт-дисков, которые из-за этого видны в переливающихся цветах радуги. В случае со структурой с наноостровками можно умным образом использовать похожий эффект и при помощи правильного дизайна фотонно-кристаллической решетки приручить свет и сделать фотолюминесцению очень яркой», — рассказывает старший научный сотрудник Сколтеха Сергей Дьяков.

Перспективная технология

Пока даже такое повышение эффективности не дает достаточно яркого свечения германиевых наноточек на кремнии. Но главное, что ученым удалось показать саму перспективу оптимизации их работы за счет оптических резонаторов на основе связанных состояний в континууме.

«Полученные результаты открывают новые возможности для создания эффективных источников излучения на кремнии, встраиваемых в схемы современной микроэлектроники с оптической обработкой сигнала. В настоящее время коллектив авторов работает над задачей создания на базе таких структур светоизлучающих диодов и принципов их сопряжения с другими элементами на оптоэлектронном чипе», — отмечает Маргарита Степихова, старший научный сотрудник Института Физики Микроструктур РАН.

Как отмечает Андрей Богданов, научная группа пока только «в начале пути». «Мест, где можно доработать нашу структуру, много. За счет этого мы рассчитываем показать намного большую эффективность», — заключает он. 

Sergey A. Dyakov, Margarita V. Stepikhova, Andrey A. Bogdanov, Alexey V. Novikov, Dmitry V. Yurasov, Mikhail V. Shaleev, Zakhary F. Krasilnik, Sergei G. Tikhodeev, Nikolay A. Gippius. Photonic Bound States in the Continuum in Si Structures with the Self-Assembled Ge Nanoislands. Laser and photonics reviews, 2021/10.1002/lpor.20200024