Активный гибридный плазмонный волновод.
Учёные из лаборатории нанооптики и плазмоники центра наноразмерной оптоэлектроники Московского физтеха придумали, как избавиться от потерь энергии при использовании поверхностных плазмонов в оптических устройствах. Это позволит уменьшить размеры оптических и оптоэлектронных элементов в компьютере, что повысит их быстродействие в десятки раз.
Когда компьютеры были медленными, их быстродействие ограничивалось только тактовой частотой процессора, а временем передачи сигналов между элементами схемы можно было пренебречь. Но сейчас компьютерная техника подошла к тому пределу, когда быстродействие компьютера будет ограничиваться именно скоростью передачи сигналов.
Эту проблему может решить переход от электрических схем к оптическим, позволяющим работать в диапазоне более высоких частот, соответствующих быстродействию современных и будущих процессоров. Волоконно-оптическая связь давно и успешно применяется для передачи данных между компьютерами.
Но если речь идёт о передаче данных между элементами схемы внутри компьютера, то здесь возникает фундаментальное физическое ограничение размера элементов – т.н. дифракционный предел: они не могут быть значительно меньше длины волны. Для ближнего инфракрасного излучения это предел составляет сотни нанометров в то время, как логические элементы электронных микросхем в десять раз меньше по размерам.
Конечно, для каких-то специальных целей можно сделать оптический компьютер в десять раз больший по размерам, чем обычный, но ни о каком широком распространении таких устройств речи быть не может. Не говоря уже о мобильных устройствах на оптических элементах. Что же делать, если электроны – это медленно, а фотоны – это громоздко?
А что если скрестить ужа с ежом – оптику с электроникой? Известно же, что свет взаимодействует с металлами, вызывая в них разные явления. Одним из интересных эффектов взаимодействия фотонов с поверхностью металлов, является образование плазмон-поляритонов – поверхностной электромагнитной волны на границе между металлом и диэлектриком (веществом, не проводящим электричество).
Световая волна – объёмная, а поверхностная электромагнитная волна – двумерная. Фактически, трёхмерный фотон «сжимается» по одной из осей при преобразовании в плазмон-поляритон. И всё бы хорошо, если бы не быстрое затухание такой волны на расстоянии. Из-за поглощения в металле энергия плазмонов уменьшается в миллиард раз на расстоянии всего 1 мм, что лишает практической значимости само это явление.
Но русские не сдаются! Руководитель проекта Дмитрий Федянин и его коллеги Дмитрий Свинцов и Алексей Арсенин предложили способ решить проблему быстрого затухания плазмон-поляритонных волн. Их идея заключается в закачке дополнительной энергии в плазмон-поляритоны.
Оказалось, что относительно слабых токов, пропускаемых через наноразмерные плазмонные волноводы, достаточно для компенсации потерь энергии. Благодаря этому теперь возможна передача сигнала без потерь на большие по меркам чипа расстояния. При этом размеры элементов схемы не превышают сотни нанометров, что в десять раз меньше, чем для чисто оптических решений.
Этот пример показывает, что Россия сегодня не только не отстаёт в научном отношении от ведущих стран мир, но и ведёт изыскания на передовых рубежах науки. Остаётся только пожелать, чтобы эта разработка российских исследователей как можно скорее была доведена до промышленного использования, причём в нашей стране.
Свои результаты и рассуждения учёные опубликовали в научном журнале Optic Express: D.A. Svintsov, A.V. Arsenin, D.Yu. Fedyanin, Full loss compensation in hybrid plasmonic waveguides under electrical pumping // Optics Express 23, 19358-19375 (2015).
