Группа учёных впервые показала возможность использования галогенидных перовскитов в качестве основы для нелинейных оптических элементов «на чипе». Основанный на них сверхбыстрые оптические чипы и транзисторы, а в будущем и другие интегральные оптические системы становятся реальностью. В отличие от других материалов, галогенидные перовскиты способны функционировать при комнатной температуре и недороги в производстве. Результаты исследования… опубликованы Публикация появилась в журнале ACS Nano и получила поддержку программы «Приоритет 2030».
В лаборатории находится Никита Глебов. Фото Дмитрия Григорьева для ITMO NEWS.
Создание оптического компьютера нуждается в новых элементах интегральной фотоники, включая сверхбыстрые оптические чипы. По ним информация передаётся фотонами вместо электронов. Частицы света обеспечивают большую пропускную способность и способны переносить данные на десятки километров практически без потери сигнала и искажений.
Передача данных между фотонами прямого взаимодействия невозможна из-за линейности частиц. Для управления светом с помощью света нужен материал с оптической нелинейностью, свойства которого зависят от интенсивности падающего света. Изменяя эти свойства, можно контролировать прохождение фотонов с информацией — блокировать или пропускать их. Такое устройство напоминает работу регулировщика на перекрестке: он определяет, какие световые импульсы пройдут по «дороге» — материалу с оптической нелинейностью.
В последнее время исследователи для создания материала с оптической нелинейностью все чаще используют экситон-поляритоны — гибридные квазичастицы, возникающие при взаимодействии света с электрон-дырочными парами.
Экситон-поляритоны сочетают в себе низкие оптические потери, высокую скорость и когерентность (все фотоны идентичны) от фотонов и высокую оптическую нелинейность от экситонов. Благодаря этим свойствам экситон-поляритоны являются идеальными кандидатами для сверхбыстрых оптических операций, но существовать эти квазичастицы в большинстве известных материалов могут только при экстремально низких температурах.
Исследователи из России, Германии, Швейцарии, Турции и Великобритании продемонстрировали создание оптических элементов на базе экситон-поляритонных волноводов с использованием галогенидных перовскитов. Перовскиты легко и дешево производятся, а экситон-поляритоны в них присутствуют даже при комнатной температуре.
Создав специальную платформу из перовскита MAPbBr3 толщиной около 100 нанометров, названную «улицей», мы смоделировали движение световых импульсов как машин по дороге. Для входа и выхода фотонов с «улицы» построили элементы ввода и вывода — «съезды».
Наше преимущество — нелинейность «улицы», которая изменяется под воздействием самих импульсов. Легкие фотоны едва заметно влияют на покрытие, а мощные — ультракороткие интенсивные импульсы — буквально «проминают асфальт», меняя его свойства.
Исследовав распространение таких импульсов в перовскитовых волноводах, мы подтвердили сильные нелинейные свойства этого материала. Это открывает возможности для создания сверхбыстрых оптических чипов, где управление светом возможно при помощи света без электроники. — пояснил автор исследования, инженер физического факультета ИТМО. Никита Глебов.
Изменяя энергию и частоту входного импульса, учёные фиксируют несколько уникальных нелинейных оптических эффектов у галогенидных перовскитов: импульс может разделиться на два, изменить форму и ширину. Исследование показало, что платформа поддерживает два режима импульса: формирование оптических солитонов, устойчивых к изменениям при передаче информации, и ударную волну. Управляя переходами между режимами, учёные управляют силой нелинейности среды и создают предсказуемые и гибкие сверхбыстрые чипы, транзисторы и другие оптические устройства на базе галогенидных перовскитов.
Перовскиты — уникальная новая платформа для изготовления оптических интегральных схем.
Это недорогие устройства, позволяющие достичь сверхбыстрых и сильных модуляций оптического сигнала. Для создания полной фотонной интегральной схемы на основе перовскитов нужно решить ряд технических задач.
Разрабатывается дизайн совмещения с дополнительным каналом модуляции с помощью оптического или электрического воздействия для реализации оптических вычислений, в том числе создания сверхбыстрого оптического транзистора. Продолжаются исследования в области сверхчувствительных газовых сенсоров на новых дизайнах. — сообщил один из исследователей, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО. Сергей Макаров.
Пресс-служба Университета ИТМО предоставила информацию.
Источник фото: news.itmo.ru