Генерация лазерного излучения «любой длины волны»! NIST совершает новый прорыв в области фотонных чипов 

Генерация лазерного излучения «любой длины волны»! NIST совершает новый прорыв в области фотонных чипов

Интеграция миллиардов электронных компонентов на компьютерных чипах размером всего в несколько квадратных дюймов дала мощный импульс развитию цифровой экономики и кардинально преобразила мир. Сегодня ученые, возможно, стоят на пороге очередной технологической революции — и на этот раз главным действующим лицом выступает свет. Для воплощения этого замысла ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) совместно со своими партнерами разработали новаторский метод создания интегральных оптических схем: он заключается в нанесении сложных узоров из специальных материалов на кремниевые подложки. Эти так называемые «фотонные чипы» используют оптические компоненты — такие как лазеры, волноводы, фильтры и переключатели — для передачи световых сигналов и обработки информации. Этот новый прорыв обещает дать существенный толчок развитию таких перспективных технологий, как искусственный интеллект, квантовые вычисления и оптические атомные часы.

Недавно исследовательская группа под руководством физика из NIST Скотта Паппа опубликовала результаты своих изысканий в научном журнале *Nature*. «Создание оптических схем, столь же мощных и повсеместно распространенных, как электронные схемы, — это одна из передовых задач современной технологии», — заявил Папп. «Мы учимся конструировать сложные схемы, обладающие множеством функций и находящие применение в самых разных областях».

Преимущество скорости света и проблемы с лазерами

Когда речь заходит о передаче и обработке информации, свет способен на то, что недоступно электричеству. Фотоны — частицы света — перемещаются по схемам со скоростью, значительно превышающей скорость движения электронов. Кроме того, лазеры играют незаменимую роль в управлении мощными перспективными квантовыми технологиями, такими как оптические атомные часы и квантовые компьютеры.

Тем не менее, перед тем как интегральная фотоника сможет по-настоящему достичь зрелости, ей предстоит преодолеть ряд препятствий. Одно из таких препятствий связано с лазерами. Высококачественные, компактные и эффективные лазеры, как правило, излучают свет лишь на ограниченном наборе конкретных длин волн (то есть определенных «цветов»). Например, полупроводниковые лазеры превосходно справляются с генерацией инфракрасного излучения с длиной волны 980 нанометров (миллиардных долей метра) — формы света, невидимой для человеческого глаза.

Однако для таких перспективных технологий, как оптические атомные часы и квантовые компьютеры, требуются лазеры, излучающие свет множества других «цветов». Лазеры, способные генерировать эти специфические длины волн, зачастую отличаются громоздкостью, высокой стоимостью и значительным энергопотреблением — факторы, которые фактически ограничивали применение этих квантовых технологий лишь узким кругом специализированных лабораторий. Интегрируя лазеры непосредственно в схемы на кристалле, ученые надеются сделать квантовые технологии более доступными и компактными, тем самым постепенно раскрывая их огромный потенциал.

Трехмерная многослойная структура: любой цвет — по запросу

Новый фотонный чип, разработанный в NIST, напоминает слоеный торт. Сотрудники NIST Скотт Папп, Грант Бродник и их коллеги начали работу со стандартной кремниевой пластины, на которую уже были нанесены слои диоксида кремния (стекла) и ниобата лития — нелинейного материала, способного изменять цвет падающего на него света. Затем исследователи добавили металлические элементы, обеспечивающие электрическое управление схемой и позволяющие преобразовывать свет одного цвета в свет других цветов. Они также сформировали дополнительные границы раздела между металлом и ниобатом лития, что сделало возможным быстрое переключение оптических сигналов внутри схемы — критически важная функция для обработки данных и высокоскоростной маршрутизации.

Дополнительную сложность и изысканность конструкции придало введение второго нелинейного материала — пентоксида тантала. Пентоксид тантала манипулирует светом поистине удивительным образом: он поглощает входящий лазерный луч одного цвета, но испускает спектр радужных оттенков, охватывающий весь видимый диапазон, а также широкую полосу инфракрасного излучения. Команда Скотта Паппа потратила несколько лет на разработку технологии изготовления схем из пентоксида тантала без необходимости нагрева; это позволило наносить данный материал на другие подложки, не повреждая их при этом.

Послойно формируя узоры из различных материалов в виде трехмерной структуры, исследователи создали единый монолитный чип, способный эффективно направлять оптические сигналы между своими различными слоями. Это нововведение позволило объединить исключительные возможности пентоксида тантала по манипулированию светом с точной управляемостью, которую обеспечивает ниобат лития. Как отметил исследователь Грант Бродник: «Эта новая технология обеспечивает бесшовную интеграцию; ее истинная сила заключается в том, что пентоксид тантала можно добавлять к уже существующим схемам».

В конечном счете на одной пластине — размером примерно с пивную подставку — исследователи разместили около 50 чипов размером с ноготь большого пальца; каждый из них содержит 10 000 фотонных схем, причем каждая отдельная схема способна излучать свет уникального цвета. «Мы можем генерировать все эти разнообразные цвета просто за счет соответствующего проектирования схемы», — говорит Скотт Папп.

Квантовые технологии — такие как квантовые часы и квантовые компьютеры — получат наиболее существенную выгоду от развития интегрированной фотоники. В подобных устройствах для хранения и обработки информации, как правило, используются массивы атомов. Для каждого конкретного типа атомов физикам требуется лазер, точно настроенный на соответствие внутренним квантовым энергетическим уровням именно этого атома. Например, атомы рубидия — широко используемые в квантовых компьютерах и атомных часах — реагируют на красный свет с длиной волны 780 нм; другой часто используемый элемент, стронций, «видит» синий свет с длиной волны 461 нм. Если же эти атомы осветить светом любого другого цвета, никакой реакции не произойдет.

Лазеры, необходимые для генерации этих специфических цветов, громоздки, дорогостоящи и сложны по устройству; долгое время они оставались серьезным препятствием, мешавшим квантовым компьютерам и оптическим атомным часам выйти за пределы лабораторий и найти применение в реальной жизни. Доступные, компактные и энергоэффективные оптические атомные часы могли бы помочь в прогнозировании извержений вулканов и землетрясений, стать альтернативой GPS для систем позиционирования и навигации, а также помочь ученым в разгадке таких научных тайн, как природа темной материи. Квантовые компьютеры, в свою очередь, могли бы открыть новые горизонты для исследований в области физики и химии лекарственных препаратов и материалов.

Сфера применения интегральных фотонных схем простирается далеко за пределы квантовой области. Скотт Папп полагает, что фотонные чипы, разработанные в NIST, могут помочь технологическим компаниям эффективно передавать сигналы между специализированными микросхемами, что потенциально сделает инструменты на базе искусственного интеллекта более мощными и производительными. Технологические компании также проявляют интерес к использованию фотонных технологий для совершенствования устройств отображения в системах виртуальной реальности.

Скотт Папп и Грант Бродник отмечают: хотя чипы NIST пока не готовы к массовому производству, технология, использованная для их создания, открывает четкий путь для дальнейшего развития. В ходе этого исследования ученые NIST сотрудничали с экспертами из компании Octave Photonics — основанной бывшими сотрудниками NIST, — которая в настоящее время работает над масштабированием данной технологии.

«Когда видишь, как чип светится в лаборатории — поглощая невидимый свет и генерируя все цвета видимого спектра на одной-единственной интегральной схеме, — сама широта его потенциальных применений говорит сама за себя», — говорит Скотт Папп.