Разработана теория для точного прогнозирования шумов, появляющихся при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наномасштабных схемах.
Исследователи из Лаборатории Ученые из Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ разработали теорию для точного предсказания шумов, появляющихся при усилении сигналов фотонов и плазмонов в наноустройствaх. статьеВ журнале Physical Review Applied опубликованы работы учёных, в которых представлены алгоритмы расчета максимальной скорости передачи данных в оптоэлектронных микропроцессорах будущего. Авторы также установили фундаментальные ограничения пропускной способности нанофотонных интерфейсов.
Поверхностные плазмон-поляритоныЭто коллективные колебания электронов на поверхности металла вместе с окружающим их электромагнитным полем. Поверхностный плазмон можно упрощённо описать как «сплюснутый» квант света, что обуславливает перспективность плазмонных устройств: размеры их не сильно превосходят размеры наноэлектронных компонентов, но с их помощью можно передавать больше информации, чем по электрическим проводам. Частичная замена металлических соединений на чипе на плазмонные (нанофотонные) позволит существенно повысить производительность микропроцессоров.
Проблема заключается в ослаблении сигнала — поверхностные плазмоны могут распространяться только по активным волновым трубам, которые не только направляют сигнал от источника к приемнику, но и подпитывают его за счет энергии электрического тока, проходящего через устройство. Внедрение дополнительной энергии компенсирует потери, и сигнал свободно распространяется по такому волновому трубопроводу, как стрелки кварцевых часов до тех пор, пока в них не разрядится батарейка.
Усиление сигналов и компенсация потерь связана с фундаментальной проблемой: любой усилитель, кроме увеличения амплитуды входного сигнала, добавляет помехи — шум. Законы термодинамики указывают на неизбежность шума в любых системах; сделать устройство без шума принципиально невозможно. Искажения исходного сигнала обычно определяются шумом, что фундаментально ограничивает скорость передачи информации по каналам связи или вызывает ошибки при её приёме. Для повышения скорости обмена данными необходимо улучшить соотношение сигнал-шум.
Шум имеет большое значение практически во всех бытовых устройствах: от мобильных телефонов и телевизоров до оптоволоконных сетей интернета.
Усиление сигнала неизбежно снижает соотношение сигнал-шум. Чем больше усиление или компенсируемые потери, тем больше шума будет на выходе. В плазмонных волноводах это проявляется особенно отчетливо. Актуальность проблемы отмечает Дмитрий Федянин.
В новой статье Дмитрия Федянина и Андрея Вишневых в журнале Physical Review Applied рассматривается особый вид шума – фотонный шум, появляющийся при усилении плазмонных сигналов в полупроводниковых устройствах. Его источником служит спонтанное излучение. Дополнительная энергия поступает в сигнал во время переходов электронов из состояний с большей энергией в состояния с меньшей: разница энергии этих состояний излучается в виде световых квантов. вынужденным, так и спонтаннымПринудительное излучение усилит сигнал, а спонтанное — создаст шум с переменной энергией квантов, то есть в широком диапазоне. Шум покажется случайными колебаниями интенсивности излучения, появляющимися из-за… биенийОбразование сигнала происходит из-за наложения частотных компонентов и спонтанной эмиссии. Увеличение усиления увеличивает шум, расширяет спектры вынужденной и спонтанной эмиссии, делая ненадёжными подходы квантовой оптики, разработанные для описания отдельных атомов. Большое усиление на наномасштабах в активных плазмонных волноводах заставило учёных решить задачу практически с нуля.
Необходимо было объединить три области науки: квантовую оптику, физику полупроводников и оптоэлектронику. Разработан подход к описанию фотонного шума в системах со средой, усиливающей широкий спектр излучения. Несмотря на то что теория изначально создавалась для плазмонных волноводов, данный подход применим для любых оптических усилителей и подобных им систем. », — объясняет Дмитрий Федянин.
Шум приводит к ошибкам при передаче данных, сокращая фактическую скорость передачи информации из-за необходимости применять алгоритмы коррекции ошибок. Коррекция ошибок, помимо снижения скорости, требует дополнительных компонентов в чипе для аппаратной реализации, что усложняет проектирование и производство новых устройств.
Мощность шума в нанофотонном канале связи и его спектральные характеристики позволяют вычислить максимальную скорость передачи информации по этому каналу.
Также можно определить способы уменьшения шума, подбирая режимы работы устройства и применяя электронную или оптическую фильтрацию. », — продолжает Андрей Вишневый.
Новая теория позволяет понять возможность создания плазмонно-электронных чипов – принципиально нового класса устройств. В таких чипах компактные плазмонные компоненты предназначены для передачи данных между вычислительными ядрами и регистрами процессора с огромной скоростью. Раньше считалось, что основным препятствием является ослабление сигнала; однако исследователи из МФТИ утверждают, что после компенсации потерь на первый план выходит проблема шумов. Сигнал может утонуть в шуме спонтанного излучения, сделав чип неработоспособным.
Расчёты исследователей демонстрируют: в плазмонном волноводе размером 200×200 нанометров можно эффективно передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров. Это расстояние кажется небольшим по обычным меркам, но оно типично для современных микропроцессоров. При этом скорость передачи информации будет более 10 Гбит/с на один спектральный канал. В одном наноразмерном волноводе при использовании данной технологии помещается до нескольких десятков таких каналов. спектрального уплотнения каналовЭта технология используется во всех оптических линиях связи, включая широкополосный интернет. Для сравнения: максимальная скорость передачи информации по электрическому соединению тех же размеров (т. е. по медной дорожке на чипе) составляет всего 20 Мбит/с, более чем в 500 раз меньше!
Учёные подробно изучили изменение характеристик шума и его мощности в зависимости от параметров плазмонного волновода с компенсацией потерь.
Представлено, как снизить уровень шума для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного интерфейса. Показано сочетание малых размеров, малого числа ошибок при высокой скорости передачи данных и достаточно высокой энергоэффективности в одном устройстве, что может обеспечить «плазмонный прорыв» в микроэлектронике уже в ближайшее десятилетие.
