Фотонные микросхемы заработали без утечки света

Многие современные ученые и инженеры видят будущее вычислительной техники и обработки информации за оптическими микросхемами, в которых носителем информации станет не электрон, как в современных платах, а фотон. Фотонные кристаллы же претендуют на роль основного конструкционного материала для микрочипов будущего.

Фотонные кристаллы -- это искусственные материалы, представляющие собой периодически упорядоченные диэлектрические структуры. В трехмерных фотонных кристаллах диэлектрическая проницаемость, а значит, и показатель преломления меняется с периодом, близким к определенной длине волны света. Это приводит к тому, что возникает брегговская дифракция света, которая не позволяет фотонам проникать сквозь материал. Интервал длин волн, не способных двигаться в кристалле, называют запрещенной зоной по аналогии с полупроводниками, которые не проводят электроны определенных энергий, а фотонные кристаллы -- материалами с фотонной запрещенной зоной.

Свет, попадающий в фотонный кристалл, не может распространяться. Например, если внутрь такого материала поместить источник света, то он образует «стоячую волну»: свет встречает на пути своего распространения непреодолимое препятствие и вынужден оставаться на месте. Поэтому абсолютно чистые кристаллы могут стать только основой для будущих оптических микрочипов. А вот если в структуру такого чистого кристалла встроить плоские или линейные дефекты, они смогут служить волноводами. При этом, окруженные фотонными кристаллами, они будут проводить свет максимально эффективно, ведь он не сможет рассеяться в окружающую среду -- там его движение запрещено. Ученые рассматривают и возможность создания «точечных дефектов» в фотонном кристалле -- так называемых квантовых точек, которые, возможно, станут элементарными вычислительными ячейками будущих компьютеров. Квантовые точки, встроенные в основу из фотонного кристалла, позволят использовать свет от лазера малой мощности для эффективной работы все по той же причине -- за счет отсутствия рассеяния света вовне.

Японская поленница

До сих пор, экспериментируя с внедрением функциональных дефектов, ученые использовали только внутренний объем фотонного кристалла. Поверхность же этого искусственного материала отличается по свойствам. К примеру, зонная структура, определяющая возможность движения света для поверхности и объема, отличается. На поверхности есть направления, вдоль которых волны с частотой, запрещенной для движения в объеме, могут распространяться.

Кендзи Исизаки (Kenji Ishizaki) и Сусуми Нода (Susumu Noda) с факультета электронных наук и инженерии Университета Киото в Японии в своей последней работе, результаты которой опубликованы в журнале Nature, справились с этой проблемой. Они также сумели создать функциональный дефект в случайно выбранной точке поверхности фотонного кристалла, доказав возможность манипуляции фотонами на его поверхности.

Японские ученые использовали фотонный кристалл со структурой типа поленницы. Пленка фотонного кристалла представляла собой восемь слоев длинных квадратных призм из арсенида галлия. Расстояние между центрами призм толщиной 200 нм составляло 500 нм. При этом каждый слой был уложен перпендикулярно предыдущему. Ученые сначала теоретически рассчитали зонную структуру для такого кристалла, а затем измерили экспериментально. Эксперимент подтвердил теоретические предсказания. Оказалось, что в запрещенную зону такого кристалла попадают волны из инфракрасного диапазона с длиной волны от 1300 до 1600 нм. Причем по поверхности, будучи направленными на нее под определенным углом, эти волны могут распространяться.

Работа с поверхностью

Однако ученые знали о теоретических работах своих коллег, в которых доказывалась возможность такого изменения поверхности, которое позволит полностью запретить распространение света вдоль нее. Для «поленницы» такая модификация оказалась достаточно простой. Верхний слой параллельных палочек необходимо превратить в сетку, добавив перемычки из коротеньких призм арсенида галлия. После такого изменения возникает поверхностная запрещенная зона, которая частично перекрывается с объемной запрещенной зоной. И именно в этом интервале энергий свет теряет способность распространяться как внутри фотонного кристалла, так и по его поверхности.

Такая модифицированная поверхность -- неплохая заготовка для будущего оптического чипа. Ведь создавать структуры внутри кристалла нетривиальная задача, сложно реализуемая в промышленных масштабах: фотонные кристаллы требуют очень высокой точности синтеза, ведь малейший дефект может изменить их свойства.

Ловушка для света

На этом Исизаки и Нода не остановились. Они не только подготовили основу для будущего оптического чипа, но и экспериментально доказали возможность формирования на ней будущих элементов оптической схемы. Для этого они создали дефект на поверхности кристалла, утонив несколько идущих подряд перемычек и нарушив тем самым периодичность структуры поверхности. Этот дефект оказался способен отловить и удерживать падающее на него электромагнитное излучение с длиной волны около 1450 нм. Причем, прежде чем рассеяться в среду, фотоны удерживались в этой поверхностной ловушке рекордно долго.

Добротность системы, которая обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в ней, оказалась равна 9000. Эта величина характеризует качество локализации и удержания фотонов. Большего результата для трехмерных фотонных кристаллов пока никто не добивался. И это не предел, Исизаки и Нода утверждают, что при увеличении толщины кристалла, то есть числа слоев, добротность можно поднять до 100 000. По крайней мере об этом говорят их теоретические расчеты.

Где пригодится открытие японцев

Работа японских ученых -- это не только совершенно новый подход к манипуляции светом в фотонных кристаллах за счет возможности использования поверхности. Кроме создания плоских микрочипов их результаты пригодятся для разработки эффективного соединения внешнего волновода с объемным фотонным кристаллом за счет исключения утечек света на поверхности. То есть, в активно разрабатываемые сейчас объемные микросхемы на основе фотонных кристаллов можно будет вводить кванты света без потерь на границе материала, если правильно ее модифицировать.

Исизаки и Нода также утверждают, что их трехмерные фотонные кристаллы вскоре найдут множество применений в световых датчиках и сенсорах.