Найден способ сверхбыстрого управления светом с помощью лазера

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 17 марта. /ТАСС/. Ученые университета ИТМО нашли способ эффективно манипулировать светом с помощью лазерных вспышек. В отличие от существующих методов, управление здесь происходит в тысячи раз быстрее и полностью оптически - без механического или электрического воздействия, что пригодится для создания сверхбыстрых оптических чипов, сообщили ТАСС в пресс-службе вуза.

"Главное преимущество нашего подхода - скорость и энергоэффективность. Если управлять светом через нагрев, процесс занимает микросекунды, а мы добились переключения быстрее в сотни тысяч раз. При этом из-за того, что полупроводниковый слой имеет толщину всего в три атома, для переключения требуются гораздо меньшие мощности лазера, чем в других оптических методах. А работа при комнатной температуре позволяет интегрировать наше решение в реальные вычислительные устройства на чипе", - привели в пресс-службе слова руководителя лаборатории "Низкоразмерные квантовые материалы" ИТМО и руководителя исследования Василия Кравцова.

Уточняется, что производители электроники стремятся сделать устройства максимально компактными. Но дальнейший рост производительности миниатюрных компьютеров упирается в физические барьеры - металлические проводники перегреваются, а скорости передачи сигналов уже недостаточно для новых задач, особенно при использовании алгоритмов искусственного интеллекта. Решением могут стать фотонные чипы, где вместо электронов информацию переносят частицы света. Однако главная проблема фотоники в том, что светом очень трудно управлять.

О разработке

По данным пресс-службы, ученые ИТМО в 2023 году разработали метод, позволяющий наблюдать за экситон-поляритонами - гибридными оптическими волнами со свойствами света и вещества одновременно. К волноводу (диэлектрику, удерживающему свет) из оксида тантала они добавили атомарно тонкий слой полупроводника на основе дисульфида вольфрама (WS ), а для визуализации волн использовали миниатюрную линзу из селенида цинка. Тогда же физики доказали, что экситон-поляритонами можно управлять, меняя расстояние между линзой и поверхностью чипа.

Отмечается, что ученые продолжили эту работу и нашли способ сверхбыстрого оптического управления гибридным светом. Физики использовали усовершенствованную структуру волновода: в этот раз атомарно тонкий слой WS внедрялся в диэлектрический волновод из гексагонального нитрида бора, а вместо механического перемещения линзы для управления использовались сверхкороткие лазерные импульсы. Эти вспышки меняют свойства гибридных частиц и заставляют свет переключаться менее чем за одну триллионную долю секунды - это в тысячи раз быстрее, чем при любых тепловых или механических процессах.

Для наблюдения за процессом ученые использовали миниатюрную полусферу из фосфида галлия - материала с более высоким показателем преломления, чем селенид цинка из прошлой разработки. Эта линза позволяет эффективно "заглянуть" внутрь волновода и увидеть, как лазерный импульс переключает гибридные волны, не разрушая сам процесс.

Как отметили в пресс-службе, метод может применяться при создании сверхбыстрых оптических модуляторов и логических элементов для фотонных интегральных микросхем (ФИС). Особенно технология востребована для задач искусственного интеллекта. В ближайшие 2-3 года команда планирует создать прототип оптического модулятора на чипе, в котором переключение будет происходить в заданных точках волновода. Эти чипы могут в будущем быть использованы в суперкомпьютерах и телекоммуникационном оборудовании.

Работа поддержана Российским научным фондом и программой "Приоритет-2030".