Ученые из университета ИТМО разработали необычайно компактный источник света, предназначенный для широкого спектра оптических систем. В качестве активного компонента использовался кремний – распространенный и надежный материал, фотопоглощающая и фотоизлучающая способность которого была увеличена в 10 тысяч раз благодаря метаповерхности, созданной исследователями из золота. Новая разработка может найти применение в устройствах связи нового поколения, а также в наноспектроскопических приборах и микроскопах ближнего поля, которые используются в медицине, научных исследованиях и промышленности. О деталях исследования корреспонденту «Научной России» рассказал один из его авторов, научный сотрудник физического факультета ИТМО и кандидат физико-математических наук Артем Олегович Ларин.
Электроника обладает рядом преимуществ, одно из которых заключается в том, что большинство компонентов, используемых для сбора, обработки и хранения данных, изготавливаются из кремния – доступного и долговечного материала. Кремний находит применение и в некоторых оптических элементах, однако в качестве источника света он не получил широкого распространения. Это объясняется низкой квантовой эффективностью кремния – показателем, характеризующим способность материала преобразовывать свет и демонстрирующим соотношение между поглощенными и излученными фотонами.
Члены научной группы, занимающейся гибридными нанофотонными системами, под руководством ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Дмитрия Александровича Зуева, нашли решение этой задачи. Они разработали способ, который позволяет повысить квантовую эффективность кремния с 10 -7 до 10-3. Благодаря этому, свет был получен из кремниевого образца с минимальным объемом, что соответствует сфере диаметром 50 нм.
Благодаря использованию метаповерхности, изготовленной из золота, удалось добиться подобного результата. Эта метаповерхность действует как «ловушка» для фотонов, предотвращая их вытекание из зоны, где расположен кремний, используемый в качестве источника света.
«Метаповерхность — это искусственно созданный материал, не встречающийся в природе, который характеризуется уникальными оптическими свойствами, отличными от свойств обычных веществ. Метаповерхности позволяют контролировать оптические волны, их амплитуду, фазу и поляризацию, что открывает возможности для создания разнообразных и необычных эффектов — пояснил А.О. Ларин. — В качестве иллюстрации можно назвать разработку материалов с отрицательным коэффициентом преломления, оптически активных структур, суперлинз, демонстрирующих значительно более высокое оптическое разрешение по сравнению с традиционными, и идеальных поглотителей».
Новая метаповерхность разработана на основе драгоценного металла, поскольку золото обладает рядом полезных характеристик: оно практически не окисляется на воздухе, эффективно отражает свет в видимом спектре и является удобным материалом для создания подобных конструкций.
«Новый источник света был разработан в сотрудничестве с коллегами из итальянского Института микроэлектроники и микросистем, расположенного в городе Лечче. Специалисты института занимались созданием структуры с использованием электронно-лучевой литографии, а мы проводили характеризацию ее оптических свойств», — сказал А.О. Ларин.
Процесс включал несколько последовательных этапов. Изначально исследователи, используя метод литографии, формировали многослойную структуру из золота, кремния и золота. Затем эта структура подвергалась вырезанию по заданной форме, что приводило к образованию метаповерхности.
«Наша метаповерхность состоит из периодически расположенных золотых цилиндров, которые размещены над золотой пленкой, разделенные небольшим зазором (размером около 10 нм — Примеч. корр.). Оптическая особенность данной структуры заключается в ее способности эффективно поглощать излучение с конкретной длиной волны. При попадании света на метаповерхность, он начинает активно концентрироваться в пространстве между цилиндрами и золотой пленкой, — отметил А.О. Ларин. — Внутри этого зазора, где наблюдается интенсивное электромагнитное поле, размещен кремний. Благодаря способности новой метаповерхности фокусировать свет, удалось повысить квантовую эффективность кремния в качестве источника излучения».
При попадании инфракрасного излучения ближнего диапазона на метаповерхность, оно задерживается в пространстве между пленкой и дисками, что приводит к усилению взаимодействия с кремнием. Благодаря уникальной структуре, происходит преобразование излучения, в результате чего кремний начинает испускать видимый белый свет, содержащий все цвета спектра и небольшое количество ближнего инфракрасного излучения.
Применение излучения с разнообразными длинами волн имеет большое значение для оптических систем, предназначенных для обеспечения связи.
«В области коммуникаций, чем больше оптический диапазон используется в системах, тем больше каналов связи можно создать. Разные цвета световых лучей обладают уникальным свойством: поскольку фотоны практически не взаимодействуют друг с другом, по одному волокну можно одновременно передавать свет с различными длинами волн, — пояснил А.О. Ларин. — Каждая световая волна с конкретной длиной представляет собой отдельный канал, передающий информацию. Несколько таких каналов могут существовать внутри одного волокна, не оказывая влияния друг на друга. Увеличение числа каналов, проходящих по волокну, приводит к повышению пропускной способности системы, позволяя передавать больший объем данных за единицу времени».
А.О. Ларин добавил, что использование широкополосного белого света играет схожую важную роль и в вычислительных системах. В этом случае излучения с разными длинами волн будут «отвечать» за одновременное проведение операций: «Существуют разные пути увеличения скорости вычислений: либо “заставить” логические элементы системы работать быстрее, либо научиться выполнять операции параллельно. В случае с использованием светового излучения с широким диапазоном как раз реализуется распараллеливание вычислений».
Результаты работы ученые представили в журнале ACS Photonics.
«Исследование нового источника света проводилось в оптической лаборатории университета ИТМО. В ходе испытаний был выполнен комплексный анализ с применением лазерной спектроскопии и время-разрешенной флуориметрии. Это дало возможность провести полное тестирование и детальное описание полученного образца, а также установить его количественные параметры», — отметил А.О. Ларин.
По словам исследователя, их научная группа экспериментирует с различными методами производства источников света. Отличительной особенностью текущего подхода, основанного на создании золотой метаповерхности, является возможность формирования миниатюрной структуры с заданными параметрами возбуждения.
«Кроме того, нами были разработаны и другие способы производства излучающих элементов. Ранее наша команда уже использовала полученные материалы в системах для наноспектроскопии, позволяющих исследовать оптические характеристики различных объектов, вплоть до отдельных молекул. Также новые источники света были применены для создания защитных меток на продукции, препятствующих ее контрафактному производству», — рассказал А.О. Ларин.
Исследователь рассказал о своих будущих намерениях в отношении развития работы.
«Теперь, когда мы освоили создание и охарактеризовали новый источник излучения, было бы крайне полезно найти способ его интеграции в существующие фотонные интегральные схемы — это своего рода оптические чипы, аналогичные электронным, которые используются, например, в телефонах и компьютерах. Подобные структуры – это не технология будущего, они уже существуют и на данный момент представляют собой “гибриды” из электронных и оптических компонентов, — заключил А.О. Ларин. — “Современной наукой преследуется цель — создание полностью оптических устройств, поскольку они превосходят электронные по скорости и теплоотдаче, что обеспечивает более высокую эффективность. Таким образом, увеличение количества оптических элементов на фотонных интегральных схемах является залогом их улучшения».
Новость создана при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации