Разработана теория, которая позволяет с высокой точностью прогнозировать шумы, проявляющиеся при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных устройствах.
Исследователи из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ создали теорию, позволяющую точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных схемах. В статье, в статье, вышедшей в журнале Physical Review Applied, исследователи разработали методы вычисления предельно возможной скорости передачи данных в оптоэлектронных микропроцессорах будущего и выявили основные факторы, ограничивающие производительность нанофотонных соединительных элементов.
Поверхностные плазмон-поляритоны представляют собой коллективные колебания электронов на поверхности металла вместе с окружающим их электромагнитным полем. Упрощённо поверхностный плазмон можно описать как «сплюснутый» квант света, и именно это обуславливает перспективность плазмонных устройств: их размеры не сильно превосходят размеры наноэлектронных компонентов, но с их помощью можно передавать куда больше информации, чем по электрическим проводам. Даже частичная замена металлических соединений на чипе на плазмонные (нанофотонные) позволит существенно повысить производительность микропроцессоров.
Затухание сигнала представляет собой проблему: поверхностные плазмоны способны распространяться только по активным волноводам. Эти волноводы не только направляют сигнал от источника к приёмнику, но и обеспечивают его подпитку за счет энергии электрического тока, проходящего через устройство. Внешнее добавление энергии позволяет компенсировать потери, и сигнал распространяется по волноводу столь же свободно, как стрелки кварцевых часов до тех пор, пока не разрядится батарейка.
Усиление сигналов и компенсация потерь сопряжены с принципиальной трудностью. Любой усилитель увеличивает амплитуду поступающего сигнала, но при этом сам генерирует собственные помехи, которые в физике называют шумом. Законы термодинамики диктуют, что шум, независимо от его природы, неизбежно возникает в любой системе: создание устройства, полностью лишенного шумов, является принципиально невозможным. Искажения исходного сигнала, как правило, обусловлены именно шумом, что фундаментально ограничивает скорость передачи информации по различным каналам связи или приводит к ошибкам при её приёме. Для повышения скорости обмена данными необходимо улучшить соотношение сигнал-шум. Значимость этого соотношения становится очевидной каждому, кто сталкивался с необходимостью общения на шумной улице или настройкой радиоприёмника в удалённом от города месте.
«Шумы оказывают значительное влияние на работу многих бытовых приборов – от мобильных телефонов и телевизоров до оптоволоконных сетей. Увеличение сигнала всегда сопровождается ухудшением соотношения сигнал-шум. При этом, чем сильнее усиление или, в рассматриваемом нами случае, компенсируемые потери, тем больше шума можно ожидать на выходе. В плазмонных волноводах с усилением эта проблема наиболее заметна», — подчёркивает Дмитрий Федянин.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Applied и представленной Дмитрием Федяниным и Андреем Вишневым, рассматривается специфический вид шума – фотонный шум, возникающий при усилении плазмонных сигналов в полупроводниковых устройствах. Его главным источником является спонтанное излучение. При переходах электронов из состояний с высокой энергией в состояния с меньшей энергией в сигнал добавляется дополнительная энергия: разница в энергии этих состояний излучается в виде световых квантов, и такое излучение может быть как вынужденным, так и спонтанным. Вынужденное излучение усиливает сигнал, а спонтанное — создает шум, который представляет собой излучение с квантами различной энергии, то есть в широком спектре. Шум проявляется как случайные колебания интенсивности излучения, возникающие в результате биений — наложения отдельных частотных составляющих сигнала и спонтанного излучения. С увеличением усиления возрастает уровень шума, расширяются спектры вынужденного и спонтанного излучения, и применение методов квантовой оптики, предназначенных для анализа отдельных атомов, становится нецелесообразным. Высокое усиление на наномасштабах в активных плазмонных волноводах потребовало от исследователей разработки новых подходов, начиная с основ.
«Чтобы решить поставленную задачу, нам пришлось свести вместе три области, которые в научной деятельности редко встречаются одновременно: квантовую оптику, физику полупроводников и оптоэлектронику. Мы выработали метод описания фотонного шума в системах с усиливающей средой, охватывающей широкий спектр длин волн. Изначально теория была разработана для плазмонных волноводов, однако наш подход может быть использован для описания различных оптических усилителей и схожих систем », — объясняет Дмитрий Федянин.
Шумы приводят к ошибкам при передаче данных, что существенно замедляет реальную скорость передачи информации из-за применения алгоритмов коррекции. Коррекция ошибок, в свою очередь, предполагает использование дополнительных компонентов в чипе для аппаратной реализации, что усложняет проектирование и производство новых устройств.
«Имея данные о мощности шума в нанофотонном канале связи и спектральных характеристиках этого шума, можно рассчитать максимально возможную скорость передачи информации. Также можно определить способы снижения шума, выбирая определенные режимы работы устройства и применяя электронную или оптическую фильтрацию », — продолжает Андрей Вишневый.
Новая теория позволяет, в частности, понять, возможно ли в будущем разработка принципиально нового класса устройств — плазмонно-электронных чипов. В этих чипах для передачи данных между вычислительными ядрами и регистрами процессора на сверхвысоких скоростях предполагается использование компактных плазмонных элементов. Ранее считалось, что основным сдерживающим фактором является затухание сигнала; однако, согласно исследованию ученых из МФТИ, после устранения потерь ключевой проблемой становится уровень шумов. В результате спонтанного излучения сигнал может быть просто заглушен, что сделает чип неработоспособным.
Согласно результатам исследований, расчёты показали, что в активном плазмонном волноводе с габаритами 200×200 нанометров эффективная передача сигнала возможна на расстоянии до 5 миллиметров. Несмотря на то, что это расстояние может показаться незначительным, оно соответствует типичным масштабам современных микропроцессоров. Скорость передачи данных при этом превысит 10 Гбит/с на один спектральный канал, а в одном наноразмерном волноводе можно разместить до нескольких десятков таких каналов, используя соответствующую технологию спектрального уплотнения каналов, этот метод используется во всех оптических линиях связи, в том числе и в сетях широкополосного доступа в интернет. К примеру, максимальная скорость передачи данных по электрическому соединению аналогичных размеров (например, по медной дорожке на микросхеме) составляет всего 20 Мбит/с, что более чем в 500 раз ниже!
Исследователи детально изучили, как изменяются характеристики шума и его мощность в зависимости от параметров плазмонного волновода с компенсацией потерь. Также они показали, каким образом можно уменьшить уровень шума для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного интерфейса. Учёные продемонстрировали одновременное сочетание небольших размеров, низкого уровня ошибок при высокой скорости передачи данных и высокой энергоэффективности, что, возможно, уже в ближайшие десять лет приведет к «плазмонному прорыву» в микроэлектронике.