В стенах Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского (ННГУ) была разработана уникальная теория о том, как преобразуются световые волны в графене. Этот тончайший материал уже сегодня признан одним из самых перспективных для создания высокоскоростных фотонных интегральных схем (ФИС), играющих важнейшую роль в развитии современной микроэлектроники и наноэлектроники.
Графен как ключ к развитию будущей фотоники
Фотонные интегральные схемы уже сейчас превосходят по многим параметрам классические электронные аналоги: они быстрее, эффективнее и позволяют организовать принципиально новый уровень обмена данными. Однако основной технический вызов для инженеров и ученых всего мира остаётся прежним: чтобы собрать ФИС, требуется разместить на микрочипе различные функциональные устройства, причём зачастую из разных материалов.
Графен, представляющий собой ультратонкий слой атомов углерода, отличается необычайной проводимостью и взаимодействием со светом. Благодаря этим свойствам он стал одним из наиболее перспективных материалов для создания микроволноводов — своеобразных каналов для переноса фотонов в микроскопических чипах.
Главный научный прорыв нижегородских физиков
Коллектив кафедры общей физики радиофизического факультета ННГУ, под руководством доцента Алексея Маслова, предложил абсолютно новую теоретическую модель, описывающую преобразование световых волн, распространяющихся по поверхности графена, в тех случаях, когда концентрация электронов в материале меняется со временем. Существенным отличием от предыдущих мировых работ стало предельно точное математическое учёт взаимодействия между электронами и световым полем. Такое внимание к деталям позволило полностью пересмотреть прежние взгляды на усиление или угасание волн в графене.
Научный коллектив доказал, что вопреки ранее распространённым прогнозам, при изменении концентрации электронов энергия световых волн в графене не увеличивается, а напротив — только снижается. Ранее, в 2018 году, учёные из США и Бельгии предполагали обратное, однако их расчёты были основаны на ошибочном понимании поведения магнитного поля света в рассматриваемых условиях. Благодаря исследованиям ННГУ удалось внести точку в этом принципиальном для фотоники вопросе.
Вклад Александра Маслова и дальнейшие перспективы ФИС
Алексей Маслов отметил, что основная задача команды — поиск принципов, позволяющих сверхбыстро управлять потоками фотонов внутри интегральных чипов. Такие изыскания в конечном итоге значительно ускорят работу микросхем и микрочипов, расширяя их возможности и диапазон применений в самых современных областях техники.
Новая теория физиков ННГУ в перспективе откроет двери к созданию новых элементов ФИС, и особенно к появлению сверхбыстрых модуляторов света. Именно модулирующие устройства способны значительно повысить скорость передачи и обработки информации в вычислительной технике завтрашнего дня.
Что такое фотонная интегральная схема
Фотонная интегральная схема (ФИС) представляет собой уникальный набор оптических компонентов — волноводы, делители мощности, усилители, детекторы, модуляторы, лазеры — совмещённых на единой миниатюрной подложке, где структура напоминает единый оптический организм. Все компоненты активно взаимодействуют, обеспечивая высокоэффективную обработку и передачу оптических сигналов. Благодаря такому подходу, ФИС находят самое широкое применение, начиная от оптических сетей до современнейших коммуникационных устройств.
Материалы и инновационные технологии ФИС
На сегодняшний день среди основных материалов, используемых для изготовления ФИС, преобладают полупроводники, такие как фосфат индия, арсенид галлия и, конечно, кремний. В ряде решающих технологий применяются электрооптические кристаллы (например, ниобат лития), а также различные специализированные составы стекла. Новые теоретические и экспериментальные исследования показывают, что применение графена способно вывести на совершенно иной уровень эффективность ФИС за счет его уникальных свойств.
Будущее фотоники с теорией нижегородских учёных
Достижения физиков ННГУ знаменуют собой яркую страницу в мировой науке, приближая наступление эры быстродействующих, компактных и невероятно энергоэффективных фотонных схем. Исследовательские успехи под руководством Алексея Маслова уже послужили отправной точкой для новых проектов, связанных с инновационными средствами управления светом в наноразмерных интегральных устройствах. Всё это открывает российской и мировой электронике путь к будущему с абсолютно новыми функциональными возможностями для обработки и передачи информации — от интернета следующего поколения до квантовых коммуникаций и вычислений.
Изображение: Фотобанк Freepik
Источник: scientificrussia.ru
