V-образные волноводы приблизили создание компактных фотонных чипов

Исследование провели специалисты Московского физико-технического института и научного центра Xpanceo из ОАЭ. Ученые теоретически исследовали свойства волноводов, сформированных в многослойном материале на основе оксихлорида молибдена (MoOCl₂).

Свет вместо электричества

Современная микроэлектроника сталкивается с фундаментальным ограничением: дальнейшее уменьшение размеров транзисторов становится все сложнее. Одним из перспективных направлений, способных частично снять ограничения электронной передачи данных, считается фотоника — использование света для передачи и обработки информации непосредственно внутри чипа.

У фотонных систем есть существенное преимущество: оптические сигналы способны передавать большие объемы данных с высокой скоростью и относительно небольшими потерями энергии. Однако создание миниатюрных оптических компонентов остается сложной инженерной задачей. Свет необходимо не только эффективно вводить в микроскопические структуры, но и точно направлять, переключать и локализовать.

Именно эту проблему пытаются решить разработчики новых волноводов.

Необычные свойства оксихлорида молибдена

Предложенная конструкция представляет собой V-образный канал в многослойном материале. Он состоит из нескольких тонких слоев оксихлорида молибдена, оптические свойства которого сильно зависят от направления распространения света.

Такие материалы относятся к классу гиперболических материалов. В определенных условиях они способны поддерживать гиперболические плазмон-поляритоны — квазичастицы, возникающие в результате взаимодействия электромагнитного излучения с коллективными колебаниями электронов.

Это позволяет значительно сильнее локализовать свет, чем в обычных оптических структурах, и управлять распространением излучения на нанометровом масштабе.

В зависимости от направления распространения света многослойная структура может демонстрировать свойства, характерные для металла или диэлектрика. Такое сочетание свойств дает возможность формировать необычные оптические каналы, в которых свет удерживается и направляется внутри чрезвычайно компактной структуры.

Десятки микрон при многократно меньших размерах

Расчеты исследователей показали, что разработанные волноводы способны сохранять оптический сигнал на расстояниях в несколько десятков микрон. При этом их ширина и вертикальный размер могут быть в несколько десятков раз меньше, чем у волноводов на основе золота.

Это особенно важно для интегральной фотоники, где размеры отдельных компонентов непосредственно влияют на плотность размещения элементов на чипе. Чем компактнее волновод, тем больше оптических компонентов можно разместить на одной микросхеме.

На основе таких структур потенциально можно создавать миниатюрные интерферометры для модуляции сигналов, оптические переключатели, делители мощности, резонаторы и сенсоры. Возможны также применения в телекоммуникационном оборудовании, системах оптической обработки информации и гибридных электронно-фотонных чипах.

Еще одним перспективным направлением ученые называют создание ультракомпактных био- и химических сенсоров.

Разработка пока находится на стадии теоретического исследования: полученные результаты показывают перспективность конструкции, но для перехода к практическим фотонным чипам потребуется экспериментально изготовить такие волноводы и подтвердить рассчитанные характеристики.

Тем не менее новый подход демонстрирует, как гиперболические материалы могут помочь решить одну из ключевых задач интегральной фотоники — компактно управлять распространением света внутри микроскопических устройств.