Перспективные материалы для перестраиваемых фотонных чипов, переключаемых лазером, отобрала команда российских ученых в результате испытаний. В будущем технология может лечь в основу более совершенных систем для хранения, обработки и передачи информации с помощью света, включая энергонезависимую оптическую память, фотонные вычислители и оптические нейроморфные сети. Подробнее о проведенных экспериментах корреспонденту «Научной России» рассказал один из авторов исследования, кандидат физико-математических наук Вадим Викторович Ковалюк, руководитель молодежной лаборатории фотонных газовых сенсоров Национального исследовательского технологического университета МИСИС, созданной при поддержке Минобрнауки России.
«Сами по себе фотонные интегральные схемы уже используются в промышленности. Прежде всего, это приемопередатчики для дата-центров и телекоммуникационных сетей, через которые проходит основная часть интернет-трафика. Их также применяют в лидарах, оптических биосенсорах, газоанализаторах и системах квантовой связи, — отметил В.В. Ковалюк. — В то же время перестраиваемые чипы на фазопеременных материалах пока остаются экспериментальной технологией. На наш взгляд, они первыми найдут применение в реконфигурируемых оптических коммутаторах для сетей связи и в фотонных ускорителях для нейроморфных вычислений, где “веса” нейросети нужно хранить прямо в оптической схеме».
Исследование объединило ученых из НИТУ МИСИС, Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники», Московского педагогического государственного университета, Научно-производственного комплекса «Технологический центр», Высшей школы экономики и Российского квантового центра.
Руководитель молодежной лаборатории фотонных газовых сенсоров Университета МИСИС Вадим Викторович Ковалюк за работой.
Фото: Сергей Гнусков / пресс-служба НИТУ МИСИС
Особенность фазопеременных материалов — в том, что их структура может быть как кристаллической (упорядоченной), так и аморфной (неупорядоченной). Менять ее можно с помощью коротких лазерных импульсов, при этом после облучения образец сохранит приданное ему состояние. Это свойство позволяет кодировать информацию прямо в структуре материала.
«Фазопеременный материал работает как оптический “переключатель с памятью”, — объяснил В.В. Ковалюк. — В кристаллическом состоянии он сильно поглощает свет, проходящий по волноводу, а в аморфном почти прозрачен. Меняя фазу, мы управляем пропусканием чипа. Переключение выполняется лазерными импульсами, идущими по тому же волноводу. Короткий импульс длительностью 25 нс и энергией в несколько десятков пикоджоулей расплавляет участок пленки, и при быстром остывании тот застывает в аморфном состоянии. Более длинный импульс в 100 нс нагревает материал слабее, и он снова кристаллизуется».
В работе, представленной в престижном научном издании Materials Science in Semiconductor Processing, ученые испытали пять фазопеременных материалов на основе разных полупроводниковых соединений из германия (Ge) — сурьмы (Sb) — теллура (Te). Они наносились на волноводы — элементы фотонного чипа, по которым перемещается свет. Использование одинаковых волноводов из нитрида кремния позволило сопоставить возможности разных фазопеременных материалов, не меняя конструкцию самой интегральной схемы. По результатам испытаний исследователи отобрали перспективные составы, лучше и быстрее других меняющие прохождение света по волноводу.
Фотонный чип.
Фото: Сергей Гнусков / пресс-служба НИТУ МИСИС
«Пленка не покрывает волновод целиком: из нее формируется отдельная небольшая ячейка. Сначала с помощью электронной литографии на волноводе из нитрида кремния задается окно нужного размера, в нашем случае — длиной 3 мкм. Затем методом магнетронного распыления в это окно наносится пленка толщиной около 35 нм. Технологию роста пленок мы развиваем совместно с группой Петра Ивановича Лазаренко из НИУ МИЭТ, — описал процесс обработки волноводов В.В. Ковалюк. — Сверху ячейку закрывают защитным слоем оксида кремния толщиной 15 нм, чтобы материал не окислялся. Свет взаимодействует с ячейкой через “хвост” волноводной моды, выходящий за пределы волновода, то есть через эванесцентную волну. Поэтому свойства ячейки во многом зависят от ее размера и формы.
Подобные ячейки исследуются с середины 2010-х гг. Новизна нашей работы в том, что мы впервые систематически сравнили в одинаковых условиях пять составов вдоль линии GeTe–Sb₂Te₃. Составы GST124 и GST147 дали контраст свыше 5 дБ, что в 3–4 раза больше, чем у классического GST225».
Отобранные материалы в дальнейшем предстоит дополнительно проверить на долговечность, способность длительно сохранять записанное состояние и стабильность работы.
Исследование подтвердило: эффективность управления светом на фотонном чипе напрямую зависит от состава соединения. Для точного подбора фазопеременного материала нужно учитывать целый комплекс параметров: скорость переключения, величину изменения сигнала, а также размеры ячейки на волноводе. Ученые подчеркивают, что при изменении деталей процесса — например, использовании волновода из другого материала или подаче лазерных импульсов с другой длиной волны — результат может измениться. Поэтому технологию нужно адаптировать к конкретным условиям.
В чем преимущества фотонных устройств перед классической электроникой?
«Свет переносит информацию с огромной пропускной способностью и с гораздо меньшим тепловыделением, чем электрический сигнал. В одном волноводе можно параллельно передавать множество каналов на разных длинах волн, — ответил В.В. Ковалюк. — Для вычислений важно и то, что фотонная схема выполняет отдельные операции (например, умножение матриц) “на лету”, за время прохождения света через чип. Фазопеременные материалы добавляют к перечню преимуществ энергонезависимость: записанное состояние сохраняется без питания, и энергия тратится только на перезапись».
Процесс исследований: на фото — один из авторов работы, научный сотрудник центра квантовых коммуникаций Национальной технологической инициативы НИТУ МИСИС, кандидат физико-математических наук Алексей Невзоров.
Фото: Сергей Гнусков / пресс-служба НИТУ МИСИС
Работа получила поддержку Российского научного фонда (проект № 23-79-00056) и Минобрнауки России (проекты № FSME-2025-0002 и № FSMR-2024-0004). Исследования ведутся в рамках стратегического технологического проекта МИСИС «Квантовый интернет» по программе «Приоритет-2030».
Полученные результаты — важный шаг на пути развития фотонных систем с энергонезависимой памятью.
«В лабораториях такие устройства демонстрируются уже около десяти лет. Показаны элементы оптической памяти, перестраиваемые фильтры и прототипы фотонных нейросетей на фазопеременных материалах, в том числе в работах нашей группы. До коммерческих продуктов дело пока не дошло. Главные препятствия связаны с воспроизводимостью, энергией переключения и необходимостью масштабирования до нескольких тысяч элементов на одном чипе, — подытожил В.В. Ковалюк. — Наше исследование помогает решить именно эту задачу: подобрать материал под конкретные требования. Ячейки на одних составах переключаются быстрее, на других — дают больший контраст. В дополнение к этому состав GST147 позволяет плавно управлять долей кристаллической фазы, что открывает путь к многоуровневой записи. Как говорится, все только начинается!»
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: Сергей Гнусков / пресс-служба НИТУ МИСИС.
