Российские ученые выбрали перспективные материалы для фотонных чипов
Российские исследователи сравнили пять составов на основе соединений германия, сурьмы и теллура и определили наиболее перспективные материалы для фотонных чипов. Такие микросхемы управляют светом непосредственно на кристалле и в будущем могут использоваться для создания энергонезависимой памяти, оптических вычислительных систем и нейроморфных устройств.
В исследовании участвовали специалисты НИТУ МИСИС, МИЭТ, МПГУ, НПК «Технологический центр», ВШЭ и Российского квантового центра. Все образцы наносили на одинаковые волноводы из нитрида кремния — элементы, по которым свет распространяется внутри фотонного чипа. Это позволило сопоставить характеристики самих материалов, не меняя конструкцию устройства.
Как работают фазопеременные материалы
Для управления светом ученые исследовали материалы, способные менять состояние под воздействием коротких лазерных импульсов. В одном состоянии вещество имеет упорядоченную кристаллическую структуру, а в другом — неупорядоченную аморфную. Эти состояния заметно различаются по показателю преломления, поэтому материал может менять прохождение светового сигнала.
После лазерного воздействия образец сохраняет новое состояние без постоянного подвода энергии. Благодаря этому его можно использовать для записи информации. Такой принцип лежит в основе потенциальных фотонных ячеек памяти, где данные хранятся не в виде электрического заряда, а через устойчивое оптическое состояние материала.
Что сравнивали исследователи
При оценке составов учитывали сразу несколько параметров: насколько сильно материал изменяет световой сигнал, с какой скоростью происходит переключение и какой размер должна иметь его ячейка на волноводе. Исследователи отмечают, что выбрать оптимальный состав только по одному показателю нельзя.
Результаты могут зависеть от конструкции фотонного устройства. Например, характеристики способны измениться при использовании волноводов из других материалов, включая кремний на изоляторе, а также при работе с лазерными импульсами другой длины волны. Поэтому для каждого варианта потребуется дополнительная настройка.
Возможные применения и следующие этапы
Фотонные чипы могут применяться для ускорения матричных вычислений, лежащих в основе обучения и работы нейросетей, спектральной диагностики заболеваний, высокоскоростной передачи данных по оптоволокну и создания компактных твердотельных лидаров для беспилотного транспорта. Среди других направлений — квантовая связь, генерация и распределение ключей, а также оптические датчики для промышленности, экологии и сельского хозяйства.
Исследование создает основу для разработки фотонных устройств с энергонезависимой памятью, однако до практического применения выбранным материалам предстоит пройти дополнительные испытания. Ученым необходимо проверить их долговечность, стабильность работы и способность сохранять записанное состояние в течение длительного времени.
Подробные результаты опубликованы в журнале Materials Science in Semiconductor Processing, входящем в первый квартиль научных изданий. Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» программы «Приоритет-2030» при поддержке Российского научного фонда и Минобрнауки России.
