Задать фотон: новые оптические чипы ускорят работу дата-центров
Российские ученые предложили способ создавать оптические устройства, сохраняющие свои свойства даже при наличии случайных дефектов. Они разработали метаматериал, который может найти применение в оптических вычислениях и системах передачи данных. Например, его можно использовать в чипах, где световая волна должна распространяться только в одном направлении, и линиях связи, в которых дефекты не должны ослаблять сигнал. Сегодня фотонные чипы применяются в крупных дата-центрах, а внедрение новой технологии может повысить скорость обработки данных и снизить энергопотребление. Впрочем, пока разработка представляет собой лишь шаг на пути к созданию новых устройств, рассказали «Известиям» ученые.
Нечувствительный к дефектам материал для микроэлектроники
Фотонные чипы могут стать надежнее и дешевле в производстве благодаря разработке ученых Нового физтеха ИТМО. Они создали метаматериал, который работает как односторонняя линза для микроволн и практически не чувствителен к внутренним дефектам: волна проходит сквозь него, не рассеиваясь на неровностях.
На практике такой метаматериал может найти применение при производстве фотонных интегральных схем — перспективной альтернативы обычным микросхемам, которые приближаются к пределу миниатюризации. В таких схемах вместо электронов используются фотоны, что позволяет повысить скорость работы и снизить энергопотребление. Однако при изготовлении устройств часто возникают дефекты, ухудшающие их характеристики. Разработанная структура — шаг к решению этой проблемы.
Фотонные элементы уже применяются в некоторых дата-центрах: через такое оборудование проходят огромные объемы данных, которые необходимо передавать с высокой скоростью, пояснили специалисты «Известиям».
Ученые Дмитрий Вагин и Максим Горлач разработали структуру, которая не только снижает влияние дефектов, но и необычным образом фокусирует свет. В обычной оптике путь световых лучей обратим: собирающая линза фокусирует свет независимо от того, с какой стороны на нее направлен поток. У новой структуры эта симметрия нарушена: она работает как собирающая или рассеивающая линза в зависимости от направления падения света. Такой эффект достигается благодаря магнитному полю и особой симметрии решетки метаматериала.
Спроектированная поверхность рассчитана на работу с микроволнами. Управлять ими проще, чем видимым светом, благодаря большей длине волны: у микроволн она составляет сантиметры, поэтому элементы структур, которые ими управляют, могут быть сравнительно крупными — миллиметровыми. Для работы с видимым светом потребовались бы элементы размером в сотни нанометров — примерно в 1 тыс. раз тоньше человеческого волоса. Изготовить такие детали значительно сложнее.
Метаматериал представляет собой искусственную конструкцию из множества элементов. Внешне разработанная структура выглядит как непрозрачная темная пластинка, однако микроволновое излучение свободно проходит сквозь нее.
— Для управления волной в расчетах мы использовали иттриевый гранат — материал, который реагирует на магнитное поле. Из него изготовлены цилиндры. Когда волна падает на них с одной стороны, она проходит через структуру с одной задержкой, а когда с другой — то с иной. Если менять магнитное поле, например приближая или удаляя магниты, эффект будет усиливаться или ослабляться. Так можно изменять фокусное расстояние невзаимной линзы, которая фокусирует свет только с одной стороны, а с другой — рассеивает его, — объяснил первый автор статьи, магистрант Нового физтеха ИТМО Дмитрий Вагин.
Перспективы новых фотонных чипов на рынке
С помощью численных расчетов ученые проверили, как материал ведет себя при падении волны с разных сторон. Расчеты также показали, что дефекты внутри структуры почти не влияют на прохождение волны. Сигналы, которые отражались случайным образом от деформированных и сдвинутых цилиндров и проводов, гасили друг друга из-за магнитного поля и асимметрии структуры.
— В последние годы ученые много работали над тем, чтобы уменьшить влияние дефектов на оптические свойства микро- и наноструктур. Наша работа демонстрирует новый способ решения этой проблемы. Пока мы предложили реализацию в микроволновом диапазоне, но возможно, что это удастся перенести и на фотонные чипы, — рассказал руководитель фронтирной лаборатории, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Максим Горлач.
Главная ценность работы в том, что авторы предлагают защиту от дефектов во всем объеме материала, пояснил «Известиям» эксперт НТИ по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский. Топологические изоляторы, основной инструмент для этой задачи сегодня, защищают волну только у границы структуры.
— В оптике самым ожидаемым применением стали бы встроенные изоляторы, которые уберегают лазер от отраженного сигнала. Сегодня это один из самых трудных для интеграции элементов фотонного чипа. Для дата-центров и отечественной микроэлектроники в целом интересен еще один эффект. Если структура слабо реагирует на погрешности изготовления, то требования к точности производства можно будет смягчить. Тогда работоспособные фотонные микросхемы удастся выпускать с большей долей годных изделий и на менее прецизионном оборудовании, — пояснил специалист.
При этом в ближайшей перспективе технология может найти применение в микроволновых устройствах связи, антенных и радиолокационных системах, поскольку разработанная модель рассчитана именно на работу с микроволнами, отметил заместитель директора Центра компетенций НТИ «Технологии доверенного взаимодействия» на базе ТУСУР Руслан Пермяков.
— Для фотонных чипов это пока перспектива: исследователи выполнили численные расчеты, а перенос технологии в оптический диапазон потребует наноразмерных элементов и нового способа реализации магнитного управления, — сказал специалист.
Работа выполнена при поддержке программы «Приоритет 2030» и Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
