Создан самый быстрый на сегодняшний день фотонный нанопереключатель - «Наука и технологии»

Международная группа, в состав которой вхошли ученые из Московского государственного университета имени Ломоносова и австралийского Национального университета в Канберре, создала сверхскоростной оптический переключатель, в основе которого лежит наноструктура, изготовленная из кремния. Это устройство может стать одним из стандартных блоков для строительства фотонных компьютеров будущего и оптических коммуникационных систем, способных передавать данные на сверхвысоких скоростях.

Работа, проделанная учеными, относится к области фотоники, одного из разделов оптической физики, который появился в 1960-х годах одновременно с появлением первых лазеров. Фотонные устройства выполняют такие же функции, как и электронные устройства за одним различием, для передачи и обработки информации вместо электронов в них используются фотоны - кванты света. Основным преимуществом использования фотонов является то, что они практически не взаимодействуют друг с другом, что позволяет избежать некоторых нежелательных искажений и затухания сигналов.

В результате этого фотоны подходят для выполнения передачи информации лучше, нежели чем электроны, также свойства фотонов можно использовать в реализации вычислительных систем, обладающих максимально возможной производительностью и низкой потребляемой мощностью. В настоящее время размеры транзисторов, являющихся основой современных электронных устройств, исчисляется десятками нанометров, а размеры фотонных переключателей, аналогов транзисторов, - порядка нескольких микрометров. Однако, несмотря на столь существенные различия в габаритах, фотонные транзисторы выигрывают у электронных по быстродействию и высокой эффективности их работы, поэтому поиски структуры компактного фотонного нанопереключателя являются одной из приоритетных задач для ученых.

Около трех лет назад ученые обнаружили один интересный эффект, они выяснили, что кремниевые наночастицы обладают высокими резонансными свойствами на частотах, соответствующих частотам волн света видимого диапазона. Возникающий в кремнии резонанс, магнитный дипольный резонанс, характеризуется сильной локализацией волн света и это явление было использовано при создании нового фотонного переключателя.

Наноразмерные элементы для фотонного переключателя были изготовлены специалистами австралийского Национального университета при помощи технологии электронно-лучевой литографии и плазменной гравировки. Созданные образцы были доставлены в Москву и все экспериментальные работы были проведены в Лаборатории нанофотоники и метаматериалов факультета физики МГУ. "В своих исследованиях мы использовали ряд явлений нелинейной оптики, которые возникают при взаимодействии материи с импульсами света фемтосекундной длительности" - объясняет Максим Щербаков, - "Для этого мы использовали наш фемтосекундный лазер, приобретенный в рамках программы развития МГУ".

Конечное устройство представляет собой кремниевый диск, диаметром 250 нанометров, который способен переключать сигналы, передаваемые импульсами лазерного света, управляясь импульсами света второго, фемтосекундного лазера, скорость которых и определяет быстродействие устройства в целом. Переключение сигналов с такой скоростью становится возможным из-за явления магнитного резонанса в кремниевом диске. Если диск получает два импульса (информационный и управляющий) одновременно, в нем возникает эффект взаимодействия этих импульсов за счет явления двухфотонного поглощения. Но если эти импульсы следуют с промежутком порядка 100 фемтосекунд, то взаимодействия не наблюдается и второй импульс проходит сквозь структуру переключателя беспрепятственно.

Переключение сигналов на таких "фемтосекундных" скоростях позволит осуществлять передачу информации и создать устройства, способные справляться с потоками данных на скоростях от десятков до сотен терабит в секунду. Такие скорости позволят передать тысячи фильмов в HD-качестве менее чем за секунду времени. А в ближайшем времени ученые создадут первые образцы фотонных чипов с такими переключателями, где и будет проверена работоспособность последних в составе сложных фотонных вычислительных устройств.