Недавно ученые из Саутгемптонского университета разработали материалы с фазовым переходом, которые, как они заявляют, могут «произвести революцию в оптических схемах» и даже занять место обычных электронных компонентов.
Исследователи говорят, что этот новый материал демонстрирует сверхмалые потери на телекоммуникационных длинах волн и может переключаться с очень малой мощностью.
Традиционная электроника для систем связи потребляет значительную часть своей энергии на уровне межсоединений, а их пропускная способность напрямую ограничивается продолжительностью связи. Использование фотонов вместо электронов смягчает эти ограничения. Здесь на сцену выходит фотоника. Большая часть оптоволоконной связи происходит в диапазоне длин волн, где оптические волокна имеют небольшие потери при передаче. На длине волны 1550 нм потери любого оптического волокна минимальны. Материалы с фазовым переходом разработаны и испытаны на этой длине волны, чтобы продемонстрировать преимущества для телекоммуникационных приложений.
Чтобы конкурировать с электронными устройствами, фотонные устройства должны быть перепрограммируемыми и реконфигурируемыми, а также обеспечивать более плотную интеграцию и миниатюризацию. Исследования материалов с халькогенидным фазовым переходом показывают, что когда материал с фазовым переходом (PCM) нагревается электрическими или оптическими импульсами, он может кристаллизоваться (SET) и реаморфизироваться (RESET). Это не только существенно изменяет удельное электрическое сопротивление, но и оптические свойства PCM. Изменение свойств можно использовать для различных приложений в фотонике.
Материалы с фазовым переходом в фотонике позволяют очень быстро переключаться между состояниями. Исследователи из Саутгемптонского университета обнаружили, что из всех доступных технологий использование Sb2S3 и Sb2Se3 в качестве материала с фазовым переходом дает самые низкие потери.
Эти материалы были нанесены на оптические чипы, где короткий лазерный импульс использовался для кристаллизации материала и изменения фазы направленного света. Исследователи неоднократно демонстрировали это свойство обратимо. Кроме того, материал запоминает свое последнее состояние без каких-либо поданных сигналов, что приводит к значительной потенциальной экономии энергии. И Sb2S3, и Sb2Se3 обладают высокой прозрачностью при длине волны связи около 1550 нм и имеют умеренно большой показатель преломления, который хорошо согласуется с компонентами кремниевой фотоники, что дает два важных преимущества по сравнению с традиционными материалами с фазовым переходом, такими как GST.
При интеграции в кремниевые волноводы эти материалы имеют потери на распространение, которые на два порядка меньше, чем у обычно используемого оптического материала (GST — Ge2Sb2Te5).
Оптоэлектроника обеспечивает передачу информации через волноводы и оптические волокна, что позволяет отображать, запоминать и интегрировать оптические датчики. Электронные системы используются для хранения данных, а фотоника имеет преимущество при транспортировке данных. В настоящее время центры обработки данных испытывают постоянно растущую потребность в обработке огромных объемов данных из-за онлайн-потоковой передачи, облачного хранилища и облачных вычислений. Это особенно актуально во время COVID-19, когда центры обработки данных становятся все более перегруженными из-за порядка нахождения на месте.
Оптические межсоединения используются в центрах обработки данных, поскольку они могут передавать данные с очень высокой скоростью с гораздо меньшими потерями мощности по сравнению с электроникой. Фактически, это исследование Саутгемптонского университета последовало за исследованиями Microsoft и Университетского колледжа Лондона, которые показывают, что оптические переключатели могут стать ответом на расширение закона Мура в центрах обработки данных. Инженеры телекоммуникационной отрасли должны проектировать такие устройства, как приемопередатчики, маршрутизаторы и решетки волноводов (AWG); фотонные интегральные схемы полезны в таких приложениях. Использование недавно открытого PCM демонстрирует возможность снижения энергопотребления и обработки больших объемов данных.
Технология, разработанная в Саутгемптонском университете, совместима с существующими кремниевыми фотонными схемами, что делает ее готовой к «передаче технологии» в приложения, которые используются в коммерческих целях. Эта возможность открывает двери для нейроморфных вычислений, позволяя контролировать поток ионов / фотонов, чтобы помочь искусственным нейронам общаться друг с другом. Вы можете сравнить это с нынешними глубокими нейронными сетями, где вычислительная сложность высока и требует значительного энергопотребления.
Помимо этого, эта новая технология (быстрое изменение фазы) в фотонике будет стимулировать рост новых приложений, таких как твердотельный лидар и квантовые вычисления, которые в настоящее время ограничены характеристиками существующих материалов. Еще одна причина, по которой материалы с фазовым переходом являются многообещающими, заключается в том, что они, в отличие от оптоэлектронных эффектов в традиционных материалах (таких как Si, LiNbO3), их свойства могут быстро и резко меняться. Кроме того, они могут поддерживаться в энергонезависимом состоянии без постоянного электрического или оптического смещения.
Одна из основных целей исследований в области фотоники - преодолеть разрыв между фотоникой и электроникой и навести мосты между этими двумя областями, в конечном итоге преодолевая ограничения традиционной электроники. Этот прорыв может стать ключом к созданию полных фотонных интегральных схем (PIC), но эта потенциальная замена существующих технологий, вероятно, займет много лет, прежде чем мы сможем увидеть скачок вперед в фотонных вычислениях.
© digitrode.ru