Специалисты из Национальной физической лаборатории (National Physical Laboratory, NPL) разработали инновационный оптический диод на основе света, предназначенный для применения в миниатюрных фотонных и фотонно-электронных интегральных схемах. Данное устройство функционирует по принципу однонаправленной передачи светового потока, аналогично работе электронных диодов. Ключевыми преимуществами разработки являются компактные размеры компонента и отсутствие необходимости в использовании мощных постоянных магнитов, характерных для других типов оптических диодов. Учитывая, что диоды служат основополагающими элементами большинства электронных систем благодаря способности пропускать ток только в одном направлении, данное достижение открывает новые возможности для развития микроэлектроники.

Эта функция диода используется в самых различных областях электроники, начиная от детектирования чрезвычайно слабых радиосигналов и заканчивая мощными силовыми выпрямителями, способными превращать переменный электрический ток в постоянный.

Основой нового оптического диода является кольцевой резонатор, стеклянное кольцо, установленное на поверхности кремниевого чипа. Размер этого кольца приблизительно соответствует диаметру человеческого волоса, а диодный эффект возникает за счет создания вращающегося оптического поля внутри резонатора,

Кольцевой резонатор накачивается светом из внешнего источника. “С учетом крошечных размеров самого устройства удельная мощность циркулирующего в резонаторе света сопоставима с мощностью всех прожекторов, используемых для освещения большого стадиона” рассказывает доктор Джонатан Сильвер (Dr. Jonathan Silver), ведущий исследователь, – “За счет такой высокой концентрации энергии в резонаторе в нем возникает оптический диод, который работает за счет одного из видов взаимодействия света со светом, называемого эффектом Керра”.

Проведенные с устройством эксперименты показали, что внутри стеклянных резонаторов электромагнитное поле вращается по часовой стрелке. При этом, свет, поданный в устройство в этом же направлении, проходит через него беспрепятственно, а свет, поданный в направлении против часовой стрелки, блокируется.

“Наличие такого диода открывает дорогу к созданию недорогих микрофотонных схем и чипов, которые могут стать основой технологий оптических вычислений” – рассказывает Паскаль Дел’Хей (Pascal Del’Haye), один из исследователей, – “Кроме этого, новые диоды могут найти применение в области оптических телекоммуникаций, обеспечивая более эффективное использование существующих оптоволоконных сетей”.

Для любознательных

Хорошо известно, что классического «оптического диода» (как в электронике — с p-n-переходом) не существует. Учёные ищут и придумывают разные физические механизмы, чтобы свет в схеме вёл себя как диод: пропускался в одном направлении и блокировался в другом. Этим активно занимаются и в России, и за рубежом. Вот несколько ярких примеров.

В России

• МФТИ. В Центре фотоники и двумерных материалов (лаборатория Алексея Большакова) исследуют нанокристаллы фосфида галлия (GaP). Учёные показывают, что из таких нанокристаллов можно делать миниатюрные волноводы и другие элементы для фотонных микросхем. Одна из задач — создать компоненты, которые в перспективе позволят строить логические элементы (в том числе аналоги диодов) прямо на фотонных чипах.
• Сколтех. В Лаборатории интегральной фотоники тоже работают над базовыми компонентами для фотонных интегральных схем (ФИС). Там разрабатывают и тестируют разные элементы — волноводы, переключатели, модуляторы. Идея в том, чтобы собрать из таких блоков сложные схемы, где свет управляет светом, и в том числе реализовать функции, похожие на диодные (например, для изоляции сигнала или управления его потоком).
• МИЭТ и МПГУ. Учёные этих вузов совместно создавали чипы с перестраиваемыми кольцевыми микрорезонаторами. В них используют материалы с фазовой памятью (например, Ge-Sb-Te): меняя их фазовое состояние лазерными импульсами, можно управлять проходящим оптическим сигналом. Это тоже шаг к созданию элементов для фотонных схем с нужной функциональностью, включая однонаправленное поведение.

В мире

• Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL). В 2018 году команда под руководством Паскаля Дель’Эя (Pascal Del’Haye) сделала заметный шаг: они создали оптический «диод» на основе микрорезонатора (стеклянное кольцо на кремниевом чипе). Суть в том, что циркулирующий в резонаторе свет за счёт нелинейного эффекта Керра создаёт эффект несимметричного пропускания: свет, движущийся в одном направлении, блокирует свет, идущий в обратном. Это позволило впервые получить такой элемент, который можно интегрировать в микрофотонные схемы — без громоздких магнитов, которые требовались в предыдущих подходах.
• Венский центр квантовой науки и технологии. Здесь в экспериментах работали с одиночными фотонами. Учёные использовали охлаждённые атомы (цезия или рубидия), расположенные рядом с нановолокном. За счёт взаимодействия спина фотона со спином атома получалось, что фотоны, движущиеся в одном направлении, поглощались, а в другом — проходили свободно. То есть реализовывалась однонаправленная передача. Правда, для практического применения в массовых схемах такие атомы нужно будет заменить на твердотельные структуры.
• Другие группы. Исследуют и другие подходы: фотонные кристаллы с специально спроектированной структурой, где за счёт интерференции и плазмонных эффектов возникает асимметрия пропускания; оптомеханические системы, где механический резонатор помогает создать несимметричное поведение для света в волноводе.

Что общего в этих работах?

Ключевая задача везде одна — добиться необратимости (несимметрии) в прохождении света и при этом сохранить возможность миниатюризации. Учёные пробуют разные физические явления: нелинейные оптические эффекты (Керр), взаимодействие света с атомами или наноструктурами, свойства фотонных кристаллов, оптомеханику.

Если вам интересна какая-то конкретная технология (например, как именно работают микрорезонаторы или фотонные кристаллы) или какие есть практические применения таких диодов