Ученые ИТМО разработали революционный метод управления светом в фотонных волноводах с использованием лазерных импульсов. Этот подход обеспечивает управление в тысячи раз быстрее существующих аналогов и является полностью оптическим, исключая механическое или электрическое воздействие. Ключом к успеху стали гибридные волны света и материи, чьи свойства изменяются при облучении. Разработка открывает путь к созданию сверхбыстрых оптических чипов, способных значительно ускорить вычисления для искусственного интеллекта. Исследование выполнено при поддержке РНФ.
Потребность в фотонных чипах
Современная электроника стремится к миниатюризации, но дальнейшее повышение производительности сталкивается с физическими ограничениями. Металлические проводники перегреваются, а скорости передачи сигналов недостаточно для сложных задач, особенно для алгоритмов ИИ. Фотонные чипы, использующие частицы света вместо электронов, видятся решением. Однако главной проблемой остается сложность управления светом из-за отсутствия полноценного оптического аналога транзистора.
Предшествующие достижения
В 2023 году группа исследователей лаборатории Низкоразмерные квантовые материалы ИТМО создала метод наблюдения за экситон-поляритонами. Эти гибридные волны объединяют свойства света и вещества. В волновод из оксида тантала добавили атомарно тонкий слой полупроводника WS2, а для визуализации использовали миниатюрную линзу из селенида цинка. Тогда же физики показали возможность управления экситон-поляритонами путем изменения расстояния между линзой и чипом.
Сверхбыстрое оптическое управление
Продолжив исследования, ученые ИТМО достигли прорыва: сверхбыстрое оптическое управление гибридным светом. Они усовершенствовали структуру волновода, внедрив слой WS2 в диэлектрический волновод из гексагонального нитрида бора. Вместо механического перемещения линзы применялись сверхкороткие лазерные импульсы. Эти импульсы изменяют свойства гибридных частиц, заставляя свет переключаться менее чем за пикосекунду (триллионную долю секунды). Это в тысячи раз быстрее тепловых или механических методов.
Механизм лазерного переключения
Управляющий лазерный импульс действует как сверхбыстрый ключ. Он воздействует на полупроводник, создавая высокую плотность экситонов (связанных пар электронов и дырок). При избытке экситонов полупроводник временно теряет взаимодействие со светом. Гибридная связь разрывается, и свет распространяется как обычная волна с измененными параметрами (скоростью, фазой, направлением).
Инновационные методы наблюдения
Для мониторинга процесса ученые применили миниатюрную полусферу из фосфида галлия. Этот материал обладает более высоким показателем преломления, чем селенид цинка из предыдущей работы. Линза позволяет эффективно наблюдать внутри волновода, как лазерный импульс переключает гибридные волны, не нарушая процесс. Использование дисульфида вольфрама (WS2) обеспечивает сильную связь света с веществом при комнатной температуре. Оптические измерения поддержаны Российским научным фондом (грант номер 25-72-20030).
Преимущества и перспективы технологии
Руководитель лаборатории Низкоразмерные квантовые материалы ИТМО и руководитель исследования Василий Кравцов подчеркивает ключевые преимущества: "Главное достоинство нашего подхода — скорость и энергоэффективность. Управление светом через нагрев занимает микросекунды, а мы добились переключения быстрее в сотни тысяч раз. Атомарная толщина полупроводникового слоя (всего три атома) требует меньших мощностей лазера. Работа при комнатной температуре позволяет интегрировать решение в реальные вычислительные устройства на чипе".
Метод применим для создания сверхбыстрых оптических модуляторов и логических элементов в фотонных интегральных схемах. Технология особенно актуальна для ИИ: гибридные чипы (электроника + фотоника) смогут выполнять матричные вычисления для нейросетей намного быстрее. В ближайшие 2-3 года команда планирует создать рабочий прототип оптического модулятора на чипе с управляемым переключением в точках волновода. Такие чипы найдут применение в суперкомпьютерах и телекоммуникационном оборудовании.
