Russiske forskere undersøger mulighederne for at skabe fotoniske integrerede kredsløb

Overgangen fra elektroniske integrerede kredsløb til hurtigere, mere energieffektive og interferensfrie optiske kredsløb er et af de vigtigste mål i udviklingen af ​​fotonteknologier. Fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er) bruges allerede i dag til at transmittere og behandle signaler i optiske netværk og kommunikationssystemer, inklusive, for eksempel, I/O multipleksere af optiske signaler og mikrochips med en integreret halvlederlaser, en modulator og en lysforstærker. Imidlertid, i dag bruges PIC'er mest i kombination med elektroniske kredsløb, mens rent fotoniske enheder endnu ikke er konkurrencedygtige.

En af udfordringerne ved at skabe PIC'er er kompleksiteten i at fremstille forskellige enheder (bølgelederkoblere, effektdelere, forstærkere, modulatorer, lasere og detektorer på en enkelt mikrochip), da de kræver forskellige materialer. De vigtigste materialer, der anvendes i eksisterende PIC'er, er halvledere (indiumphosphat, galliumarsenid, silicium), elektro-optiske krystaller (lithiumniobat), samt forskellige typer glas.

For at øge hastigheden af ​​PIC'er til at kontrollere lysflux, forskere søger efter nye materialer med høj optisk ikke-linearitet. Blandt lovende materialer, man kan navngive, i særdeleshed, mikrobølgeledere baseret på det nyopdagede materiale, grafen (et lag af kulstofatomer et atom tykt), hvor ladningsbærerkoncentrationer effektivt kan styres ved hjælp af optisk pumpning eller påført forspænding.

Ifølge Mikhail Bakunov, leder af UNN General Physics Department, nyere teoretiske og eksperimentelle arbejde viser muligheden for superhurtige (involverende tider med flere lysfeltperioder) bærerkoncentrationsændringer i grafen, hvilket åbner op for muligheder for at manipulere amplituden og frekvensen af ​​lysbølger (plasmoner) rettet af grafenoverfladen.

"Udviklingen af ​​fysiske modeller til beskrivelse af elektromagnetiske processer i ikke-stationær grafen er af stor praktisk betydning. Det forårsager en øget interesse hos forskerne. Et af forskningsresultaterne i 2018 var forudsigelsen i en række artikler af mulighed for at øge (øge energien) af plasmoner ved at ændre bærerkoncentrationen i grafen, hvilket bestemt er attraktivt til at skabe nye enheder, " siger Mikhail Bakunov.

Alexei Maslov, lektor ved UNN General Physics Department, siger, "Vores undersøgelse er rettet mod at udvikle de fysiske principper for ultrahurtig fotonkontrol i integrerede mikrochips, med andre ord, til at forbedre ydeevnen af ​​mikrokredsløb og mikrochips, der bruges i mikroelektronik og nanoelektronik."

Forskere fra UNN General Physics Department har udviklet en teori for omdannelsen af ​​lysbølger, der forplanter sig over overfladen af ​​grafen (et lag af kulstofatomer et atom tykt), når koncentrationen af ​​elektroner i grafen ændres over tid. I modsætning til tidligere forskning, elektronernes interaktion med lysfeltet tages præcist i betragtning. Et af resultaterne af undersøgelsen var at udelukke den tidligere forudsagte mulighed for at forstærke lysbølger ved at ændre koncentrationen af ​​elektroner. Dermed, UNN-forskernes arbejde giver et nyt blik på dynamikken af ​​bølger i ikke-stationære mikrobølgeledere, derved bidrage til udviklingen af ​​PIC'er.

Forskningsresultater er offentliggjort i Optica .