Группа ученых, в которую вошли сотрудники Университета ИТМО, Института физики микроструктур РАН, Сколтеха, Института общей физики РАН, и МГУ, в сто раз усилила свечение квантовых точек на кремниевой подложке. Такие структуры применяются в микроэлектронике для обработки электронных сигналов. Технологию можно будет использовать для создания чипов нового поколения — способных быстро передавать информацию из компьютера в оптоволоконную сеть.
Проект российских ученых поможет в создании чипов нового поколения / ©Getty images
Исследователи использовали специальные оптические резонаторы, способные «накапливать» электромагнитное излучение. То есть световой сигнал, попав в такой резонатор, не сразу исчезает, а некоторое время копится в нем, набирая силу. Это позволит преодолеть «трудности перевода» электрического сигнала в световой и может существенно ускорить обмен данными между серверами и компьютерами.
«Если источник света недостаточно мощный, то можно использовать резонаторы, которые способны значительно усиливать падающее излучение внутри их объема, эффективно накапливая фотоны — частицы света, — рассказывает доцент физического факультета 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, потому что симметрия электромагнитного поля внутри него не соответствует симметрии электромагнитных волн окружающего пространства».
В микроэлектронике большие надежды возлагают на специальные кремниевые структуры, которые бы обрабатывали электронный сигнал. На них расположены квантовые точки (наноостровки) германия, которые способны излучать свет в диапазоне, в котором передается информация по оптоволокну.
Но даже они не совершенны — яркости света таких наноостровков не хватает, чтобы закодировать и передать данные в виде оптического сигнала в кабель. Метод исследователей Института физики микроструктур РАН, Сколтеха, Университета ИТМО, Института общей физики РАН, и МГУ позволил 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 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.
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. «Полученные результаты открывают новые возможности для создания эффективных источников излучения на кремнии, встраиваемых в схемы современной микроэлектроники с оптической обработкой сигнала.
Сейчас коллектив авторов работает над задачей создания на базе таких структур светоизлучающих диодов и принципов их сопряжения с другими элементами на оптоэлектронном чипе», — отмечает старший научный сотрудник Института физики Микроструктур РАН Маргарита Степихова.
