Спец-ЭлектронКомплект

Оригинальный чип, который позволит разрабатывать фотонные «микросхемы» нового поколения, разработали и изготовили специалисты НИУ МИЭТ (Институт перспективных материалов и технологий) и МПГУ (Лаборатория квантовых детекторов) совместно с другими российскими учеными. По их словам, разработка станет основой искусственного синапса – главного элемента нейроморфных компьютеров. Исследование опубликовано в журнале APL Materials.

Развитие методов оптической передачи и обработки данных сегодня во многом зависит от разработки фотонных интегральных схем (ФИС) – аналогов микросхем, в которых управление происходит не за счет электрического тока, а за счет света, распространяющегося по волноводу с сечением менее 1 микрометра в квадрате. Переход техники на интегрально-оптические схемы даст увеличение быстродействия и рост пропускной способности передачи данных.

Однако создание полноценных логических ФИС, способных заменить компоненты современной электроники, требует разработки особых элементов управления. Такие элементы должны, перестраиваясь, менять параметры проходящих оптических сигналов при минимальных энергетических затратах, объяснили специалисты МИЭТ.

Коллектив ученых МИЭТ и МПГУ создал полностью оптические перестраиваемые кольцевые микрорезонаторы на основе нитрида кремния и тонких пленок одного из так называемых материалов фазовой памяти – Ge-Sb-Te (GST). Главной особенностью этих материалов является изменение оптических и электрических свойств при переключении между аморфным (неупорядоченным) и кристаллическим (упорядоченным) состояниями.

Изготовленный перестраиваемый кольцевой резонатор на основе нитрида кремния и халькогенидного материала фазовой памяти. Общий вид и схематичное изображение кольцевого резонатора, полученые в оптическом микроскопе (а), растровом электронном микроскопе (б),

«В разработанном нами чипе поверхность кольцевых микрорезонаторов из нитрида кремния локально покрыта тонкой пленкой GST. Изменение фазового состояния покрытия GST и, следовательно, его поглощения, приводит к изменению проходящего через волновод оптического сигнала. Переключение фазовых состояний можно инициировать лазерными импульсами, проходящими через волновод», – рассказал старший научный сотрудник Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Петр Лазаренко.

Ученые из МИЭТ И МПГУ создали чип для фотонной техники нового поколения

Переключение между состояниями происходит за время порядка 10 наносекунд, а их поддержание не требует затрат энергии. Материал GST, по словам ученых, является одним из оптимальных материалов для управления сигналами в тонкопленочных волноводных элементах, широко применяемых в телекоммуникационных устройствах.

«Изменяя плотность энергии лазерного импульса, можно получить различное объемное соотношение материала в аморфном и кристаллическом состояниях. Это дает возможность создавать многоуровневые нанофотонные элементы, обладающие несколькими битами на ячейку. Именно это свойство необходимо для разработки полностью оптического искусственного синапса – главного элемента будущих нейроморфных вычислительных систем», – отметил старший научный сотрудник МПГУ Вадим Ковалюк.

По словам специалистов научной группы, отработанная ими технология изготовления энергонезависимых перестраиваемых нанофотонных чипов полностью готова к внедрению в микроэлектронное производство, поскольку может быть полностью реализована с применением стандартных процессов КМОП-технологии и не требует дополнительной модернизации установок.

В настоящий момент научный коллектив ученых проводит оптимизацию чипа для повышения числа записываемых логических уровней. Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ, № 20-79-10322). Параллельно в рамках программы Правительства РФ «Приоритет-2030» исследовательской группой ведется выработка подходов к конструированию принципиально новых интегрально-оптических схем и различных систем на их основе.

Источник