Исследователи из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) вместе с коллегами из Института микроэлектроники и микросистем в итальянском Лечче создали рекордно маленький источник света для оптических систем. В качестве активного материала был использован кремний — дешевый и долговечный полупроводник, который широко применяется в электронике, но почти не используется в качестве излучателя из-за крайне низкой квантовой эффективности. Однако команде ученых удалось увеличить эту эффективность в 10 000 раз (с 10⁻⁷ до 10⁻³), сделав кремний полноценным и очень компактным источником света. Размер использованного фрагмента всего около 50 нанометров в диаметре, что примерно в две тысячи раз меньше толщины человеческого волоса.
Добиться такого результата удалось благодаря специально созданной метаповерхности из золота — искусственному материалу, который способен управлять световыми волнами. Она представляет собой массив золотых цилиндров, расположенных над тонкой золотой плёнкой с крошечным зазором около 10 нанометров. Этот зазор действует как ловушка для фотонов: попадающий в него свет концентрируется и создаёт мощное электромагнитное поле. Кремний, помещенный в эту область, начинает активно взаимодействовать с излучением, что значительно повышает его эффективность. При облучении ближним инфракрасным светом метаповерхность запускает оптические переходы, и кремний начинает испускать широкополосное белое свечение, включающее весь видимый спектр и часть ближнего инфракрасного диапазона.
Этот широкополосный белый свет ценен для телекоммуникаций: различные длины волн могут одновременно передавать по одному оптоволокну независимые потоки данных, не мешая друг другу.
«Каждая световая волна с определенной длиной — это отдельный канал, передающий информацию. Чем больше каналов проходит внутри волокна, тем выше пропускная способность системы: можно передать больше информации за единицу времени», — рассказал один из исследователей, научный сотрудник физического факультета ИТМО Артем Ларин в интервью журналу «Научная Россия».
В вычислительной технике этот принцип дает возможность выполнять множество операций параллельно, ускоряя работу систем и устраняя проблему перегрева — одного из главных недостатков электронной аппаратуры.
Испытания нового источника проводились в оптической лаборатории ИТМО с использованием методов лазерной спектроскопии и время-разрешенной флуориметрии. Проверка подтвердила высокую стабильность и эффективность конструкции. По словам исследователей, разработка уже применяется в наноспектроскопии для изучения свойств отдельных молекул, а также в системах маркировки товаров для защиты потребителей от подделок.
Теперь команда планирует встроить разработку в фотонные интегральные схемы — аналоги электронных чипов, в которых вместо электронов используются фотоны.
«Голубая мечта» современности — сделать все устройства оптическими, поскольку они обладают превосходством над электронными из-за скорости и малого тепловыделения, то есть работают намного эффективнее. Поэтому чем больше будет оптических элементов на фотонной интегральной схеме, тем лучше», — заявил Ларин.
