Выбрать страницу

Современная индустрия фотоники ведет непрерывную гонку за компактностью устройств, начиная от систем вычисления и заканчивая сенсорами и лидарами, сообщает https://nstar-spb.ru

Для этого исследователи всего мира постоянно работают над тем, чтобы уменьшить размер лазеров, транзисторов и других комплектующих. Группа ученых во главе с сотрудниками Университета ИТМО предложила метод, позволяющий быстро и дешево создавать оптические чипы прямо в обычной чашке Петри. Работа опубликована в журнале ACS Nano.

Люди все чаще используют устройства на основе микроскопических лазеров и работающих на их основе оптических чипов. Они нужны для создания лидаров, для разработки новых биосенсоров, а в перспективе могут лечь в основу новых оптических компьютеров. Такие компьютеры будут передавать и обрабатывать информацию не с помощью движения электронов, а с помощью частиц света – фотонов. Сейчас оптические чипы зачастую работают в инфракрасном диапазоне, то есть лазер в них излучает свет в ИК-спектре, не видимом человеческому глазу.

– Однако для дальнейшей компактизации необходим переход в видимый диапазон, – рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Сергей Макаров, – поскольку размер чипа зависит от длины волны, на которой идет излучение.

Оптический чип состоит из таких основных компонентов, как лазер и волноводы. Если сделать источник, который бы генерировал лазерное излучение в зеленом или красном спектре, сравнительно просто, то с волноводом проблему решить сложнее.

– Микролазер является источником излучения, который в дальнейшем нужно выводить куда-то, – рассказывает старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Иван Синев, – для этого и существуют волноводы. Однако стандартные кремниевые волноводы, которые используются в инфракрасной оптике, не работают в видимом диапазоне. Они передают сигнал не далее, чем на несколько микрометров. Для оптического чипа нам нужна передача на десятки микрометров, при этом локализация света в этих волноводах должна быть высокая, чтобы волновод имел максимально тонкий поперечник, а свет при этом бежал бы по нему достаточно далеко.

Ученые предпринимали попытки заменить кремниевые волноводы на серебряные, однако и в таких системах расстояние передачи сигнала не было достаточным. В итоге группа ученых, в которую вошли специалисты Университета ИТМО, отказалась от кремния или серебра, и сделала волноводы из фосфида галлия. Этот материал обладает очень маленькими потерями в видимой части спектра. При этом сам микролазер сделан из перовскита. Однако самое главное – и источник света, и волновод выращиваются вместе в одной чашке Петри методами растворной химии, что намного дешевле используемой сейчас нанолитографии.

Размер элементов получившегося чипа примерно в три раза меньше, нежели у аналогов, работающих в инфракрасном спектре.

– Важной особенностью чипа является возможность перестройки длины волны его излучения от зеленого до красного простым методом –анионным обменом между перовскитом и парами галогенидов водорода, – отмечает старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Анатолий Пушкарев, – причем, цвет излучения можно поменять уже после создания чипа, и этот процесс обратим. Это может быть полезно для устройств, в которых необходима передача сигнала на разных длинах волн. Так, для подобного устройства можно создать несколько разных лазеров, подключить их к одному волноводу, и тогда по нему будет идти сразу несколько световых сигналов разного цвета.

Ученые установили на созданный ими чип оптическую наноантенну из перовскита, которая улавливает сигнал, идущий по волноводу, и позволяет связать два чипа в одну систему.

– Мы добавили наноантенну на другой конец нашего волновода, – поясняет аспирант физико-технического о факультета Университета ИТМО Павел Трофимов, – то есть у нас есть генератор света, волновод и наноантенна, которая светится под воздействием излучения нанолазера. К ней мы приставили другой волновод. В результате излучение от одного лазера передавалось на два волновода. При этом наноантенна не только эффективно связывала все это в единую систему, но и преобразовывала часть зеленого света в красный спектр.