В ИТМО придумали, как эффективно манипулировать светом в интегральных фотонных волноводах с помощью лазерных вспышек. В отличие от существующих методов, управление здесь происходит в тысячи раз быстрее и полностью оптически — без механического или электрического воздействия. Сделать это позволяют гибридные волны света и материи, свойства которых меняются под облучением. Разработка пригодится для создания сверхбыстрых оптических чипов, которые в перспективе могут ускорить вычисления ИИ. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

^{Оптическая установка для измерения экситон-поляритонов на основе линзы твердой иммерсии. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

Современные производители электроники стремятся сделать устройства максимально компактными. Но дальнейший рост производительности миниатюрных компьютеров упирается в физические барьеры — металлические проводники перегреваются, а скорости передачи сигналов уже недостаточно для новых задач, особенно при использовании алгоритмов искусственного интеллекта. Решением могут стать фотонные чипы, где вместо электронов информацию переносят частицы света. Однако главная проблема фотоники в том, что светом очень трудно управлять, так как до сих пор не существует полностью оптического аналога транзистора.

В 2023 году группа ученых лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы» ИТМО разработала метод, позволяющий наблюдать за экситон-поляритонами — гибридными оптическими волнами со свойствами света и вещества одновременно. К волноводу (диэлектрику, удерживающему свет) из оксида тантала они добавили атомарно тонкий слой полупроводника на основе дисульфида вольфрама (WS₂), а для визуализации волн использовали миниатюрную линзу из селенида цинка. Тогда же физики доказали, что экситон-поляритонами можно управлять, меняя расстояние между линзой и поверхностью чипа.

Ученые продолжили работу в этом направлении и теперь нашли способ сверхбыстрого оптического управления гибридным светом. Физики использовали усовершенствованную структуру волновода: в этот раз атомарно тонкий слой WS₂ внедрялся в диэлектрический волновод из гексагонального нитрида бора, а вместо механического перемещения линзы для управления использовались сверхкороткие лазерные импульсы. Эти вспышки меняют свойства гибридных частиц и заставляют свет переключаться менее чем за пикосекунду (одна триллионная доля секунды) — это в тысячи раз быстрее, чем при любых тепловых или механических процессах. 

Управляющий лазерный импульс действует как сверхбыстрый ключ: он «выстреливает» в полупроводник и создает там большую плотность экситонов (связанных пар электронов и дырок). Когда этих частиц становится слишком много, полупроводник временно перестает взаимодействовать со светом. Гибридная связь рвется, и свет распространяется дальше уже как обычная волна, но с изменившимися параметрами (скоростью, фазой и направлением).

Для наблюдения за процессом ученые использовали миниатюрную полусферу из фосфида галлия — материала с более высоким показателем преломления, чем селенид цинка из прошлой разработки. Эта линза позволяет эффективно «заглянуть» внутрь волновода и увидеть, как лазерный импульс переключает гибридные волны, не разрушая сам процесс. А использование дисульфида вольфрама обусловлено тем, что он позволяет достичь сильной связи света с веществом при комнатной температуре. Оптические измерения, проведенные в ходе исследования, поддержаны Российским научным фондом (грант № 25-72-20030).

«Главное преимущество нашего подхода — скорость и энергоэффективность. Если управлять светом через нагрев, процесс занимает микросекунды, а мы добились переключения быстрее в сотни тысяч раз. При этом из-за того, что полупроводниковый слой имеет толщину всего в три атома, для переключения требуются гораздо меньшие мощности лазера, чем в других оптических методах. А работа при комнатной температуре позволяет интегрировать наше решение в реальные вычислительные устройства на чипе», — пояснил руководитель лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы» ИТМО и руководитель исследования Василий Кравцов.

Метод может применяться при создании сверхбыстрых оптических модуляторов и логических элементов для фотонных интегральных микросхем (ФИС). Особенно технология востребована для задач искусственного интеллекта: гибридные чипы, где электроника работает в связке фотоникой, могут выполнять матричные вычисления, лежащие в основе нейросетей, намного быстрее.

В ближайшие 2–3 года команда планирует создать функциональный прототип оптического модулятора на чипе, в котором переключение будет происходить в заданных точках волновода. Эти чипы могут в будущем быть использованы в суперкомпьютерах и телекоммуникационном оборудовании. 

Исследование также поддержано программой «Приоритет-2030».