Ученые из МФТИ создали теорию, позволяющую точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных схемах, представили алгоритмы расчета максимальной скорости передачи данных внутри оптоэлектронных микропроцессоров и нашли фундаментальные ограничения на пропускную способность нанофотонных интерфейсов. Статья физиков опубликована в журнале Physical Review Applied, сообщает пресс-служба вуза.
Речь идет об особом виде шума — фотонном, — возникающем при
усилении плазмонных сигналов в полупроводниковых устройствах.
Основной его источник — так называемое спонтанное излучение. Шум
проявляется как случайные колебания интенсивности излучения,
возникающие в результате биений — наложения отдельных частотных
компонент сигнала и спонтанной эмиссии.
«Нам пришлось объединить три области, которые крайне редко одновременно пересекаются друг с другом в научном мире: квантовую оптику, физику полупроводников и оптоэлектонику. Мы разработали подход к описанию фотонного шума в системах со средой, усиливающей в широком спектральном диапазоне. Несмотря на то, что изначально теория создавалась для плазмонных волноводов, наш подход можно применять для любых оптических усилителей и подобных им систем», — объяснил Дмитрий Федянин, один из авторов работы.
Новая теория позволяет, в частности, понять, возможно ли в будущем создание принципиально нового класса устройств — плазмонно-электронных чипов. В таких чипах компактные плазмонные компоненты будут применяться для передачи данных между вычислительными ядрами и регистрами процессора на сверхвысоких скоростях. Ранее считалось, что основное препятствие на этом пути — ослабление сигнала; однако, согласно работе исследователей из МФТИ, после компенсации потерь на первый план выходит проблема шумов. Сигнал, в принципе, может просто утонуть в шуме спонтанного излучения, что сделает чип абсолютно бесполезным.
Ученые подробно исследовали, как меняются характеристики шума и его мощность в зависимости от параметров плазмонного волновода с компенсацией потерь, а также показали, как можно понизить уровень шума для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного интерфейса. Они продемонстрировали сочетание малых размеров, малого числа ошибок при высокой скорости передачи данных и достаточно высокой энергоэффективности в одном устройстве, что может уже в ближайшее десятилетие обеспечить «плазмонный прорыв» в микроэлектронике.
