Фотонные чипы: исследователи сравнили пять материалов и выбрали победителя

Российские учёные нашли наиболее перспективный материал для изготовления фотонных чипов, которые управляются светом непосредственно на микросхеме и могут применяться для создания фотонной памяти, полностью оптических нейроморфных сетей и других устройств для передачи и обработки информации.

Сфера применения фотонных чипов обширна. Это может быть создание оптических процессоров для ускорения матричных умножений, которые лежат в основе обучения и работы нейросетей; экспресс-диагностика заболеваний с помощью спектрального анализа света; передача данных на сверхвысоких скоростях через оптоволокно; компактные твердотельные лидары для сканирования пространства вокруг беспилотных машин; генерация и распределение квантовых ключей в системах защищенной квантовой связи; высокоточные оптические датчики для промышленности, экологии и сельского хозяйства.

«Для управления светом на чипе мы исследовали специальные фазопеременные материалы, которые могут менять своё состояние под действием коротких лазерных импульсов. В разных состояниях материал имеет либо упорядоченную (кристаллическую), либо неупорядоченную (аморфную) структуру с сильно отличающимся показателем преломления. После воздействия лазера образец сохраняет определенное состояние и его можно использовать для хранения информации», — сказал д.ф.-м.н. Григорий Гольцман, главный научный сотрудник Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС.

Исследователи НИТУ МИСИС, МИЭТ, МПГУ, НПК «Технологический центр», ВШЭ и РКЦ сравнили пять составов на основе различных полупроводниковых соединений из германия-сурьмы-теллура и выбрали наиболее перспективные. Все материалы наносили на одинаковые волноводы из нитрида кремния — элементы, по которым свет распространяется внутри чипа. Это позволило сравнить именно свойства материалов, не меняя конструкцию самого устройства. Важно, насколько сильно материал меняет прохождение света, и как быстро происходит это изменение. Подробные результаты опубликованы в научном журнале Materials Science in Semiconductor Processing (Q1).

«Результат может измениться при использовании волноводов из других материалов, например, кремнии на изоляторе или лазерных импульсах другой длины волны, поэтому для каждого материала требуется дополнительная настройка. Полученные результаты показывают, что состав материала напрямую влияет на то, насколько хорошо он подходит для управления светом на чипе. При этом нельзя выбрать материал только по одному показателю — важно учитывать одновременно и величину изменения сигнала, скорость переключения, а также размеры ячейки материала на волноводе из нитрида кремния», — отметил Алексей Проходцов, инженер-исследователь лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.

Исследование может стать основой для дальнейшей разработки фотонных устройств с энергонезависимой памятью — то есть таких, которые сохраняют записанное состояние без постоянной подачи энергии.

«В перспективе подобные технологии могут использоваться в фотонных вычислениях и устройствах, способных хранить и обрабатывать информацию с помощью света. Для практического применения выбранных материалов ещё необходимо проверить их долговечность, стабильность работы и сохранение записанного состояния. Эта работа проводится в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030″», — добавил к.ф.-м.н. Алексей Невзоров, научный сотрудник центра квантовых коммуникаций НТИ НИТУ МИСИС, постдок вуза по программе «Приоритет-2030».

Работа проведена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-79-00056) и Минобрнауки России (проекты № FSME-2025-0002; № FSMR-2024-0004).

Изображение: НИТУ МИСИС