Сначала человек придумывал и создавал новые устройства. Потом совершенствовал их работу. А что дальше? А дальше — уменьшение размеров этого устройства при тех же (или даже лучших) характеристиках и мощности. Вот и ученые из Университета штата Орегон пошли по той же тропе и создали самый маленький на данный момент электрооптический модулятор. Размер сего изобретения — 0,6 микрон на 8 микрон. Такими габаритами могут похвастаться разве что бактерии, и то не все. Будучи в 10 раз меньше подобных устройств, мини-модулятор потребляет в 100 раз меньше энергии. При этом его эффективность работы не уменьшилась за счет уменьшения размеров и снижения потребляемой энергии.

Все мы сейчас так или иначе пользуемся устройствами, которые подключаются к оптоволоконным оптическим сетям. Через оптоволоконные сети передается информация в виде двоичного кода. Это очень утрированное описание применения. Для того, чтобы все работало так, как задумано, и информация не была повреждена и была передана куда надо, необходимо устройство контроля. Таким устройством является электрооптический модулятор. Эти миниатюрные приборы управляют потоками фотонов света, которые проходят через устройство. После чего модулируется оптический сигнал информации, которая передается.

Основой для создания мини-модулятора послужили прозрачные оксиды со свойствами полупроводников. Такой материал позволил не только соединить затвор с металл-оксидным полупроводниковым конденсатором и ультракомпактным фотонным кристаллом, но и уменьшить уровень оптических потерь до 0,5 дБ. А эффективность работы мини-модулятора составила 46 fJ/bit (фемтоджоулей на бит).

Сами создатели в своем докладе говорят следующее:

Кремниевая фотоника обладает потенциалом для трансформации будущих оптических систем за счет уменьшения потребляемой энергии и увеличению пропускной способности нынешних электронных систем за счет использования CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). В дополнение к применению кремниевых фотонных устройств в оптических сетях, они могут управлять логическими вентилями для выполнения определенных оптических вычислений. Однако, эффективность кремниевых фотонных устройств остается ограничена пределом дефекации и довольно низким эффектом дисперсии плазмы. Хотя кремний имеет относительно высокий показатель преломления, он может сокращать длину волны внутри кремниевого волновода пропорционально масштабу λ / n, примерно до 400–600 нм. Дальнейшее уменьшение размеров устройства требует использования поверхностного поляритона, который связывает волны на интерфейсе между металлом и диэлектриком. Чрезвычайно сильное светораспределение волновода металл-изолятор-металл (МИМ) продемонстрировало возможности ультракомпактных и высокочастотных плазмонных модуляторов. Тем не менее, плазмонические структуры и устройства очень невелики и могут переносить информацию только на очень короткое расстояние. Поэтому для реальных оптических сетей необходимо использовать гибридное плазмодиэлектрическое волноводное взаимодействие, что увеличивает сложность проектирования и изготовления.

Структура модулятора

(а) — 3D схема модулятора; (b) — цветная микрофотография сканирующего электрона модулятора. На изображении показана увеличенная область МОП-конденсатора (металл-оксид-полупроводник); (с) -оптическое изображение модулятора.

На схеме (а) изображена 1-D кремниевая поликарбонатная нано-пластина оксида индий-олова. Устройство состоит из МОП-конденсатора, встроенного в центре нано-полости на кремниевом полусловом волноводе, который расположен на КНИ (кремний на изоляторе) основе 500 нм в ширину и 250 нм в длину. Пара дифракционных ответвителей интегрирована для дефекации света в оптическом волокне. Поликарбонатная пластина устанавливает границы электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления. Два зеркально расположенных сегмента фотонных кристаллов расположены на нано-пластине. Размер воздушного отверстия квадратично сужается от центра пластины к краям двух зеркальных сегментов. Каждый их них имеет 12 таких отверстий. Коэффициент заполнения уменьшается от 0,23 в центре до 0,1 по краям. Данный коэффициент выражается формулой f=A/pw, где А — область воздушного отверстия, p — промежуток между отверстиями, w — ширина волновода. Для того, чтобы модулятор мог работать в пределах телекомуникационных волноводов, р равен 340 нм. В центре пластины пленка ITO/SiO2/Si создает МОП-конденсатор, его изображение в разрезе представлено ниже:

Если вы желаете ознакомиться с подробностями касательно данного модулятора, вы можете перейти по ссылке на доклад за авторством его создателей.

Эпилог

Технологии развиваются и совершенствуются. И не всегда данный процесс сопряжен с исключительно увеличением их эффективности или мощности. На данный момент развития человечества все больше внимания уделяется миниатюрами уже имеющихся устройств. ОСновной задачей в таком процессе является сохранение энергоэффективности и производительности устройства или даже улучшение данных показателей при уменьшении его фактического размера.

Созданный мини-модулятор яркий пример того, как нужно уменьшать. Он стал в 10 раз меньше своих предшественников и, при этом, в 100 раз энергоэффективнее. Такие характеристики очень заинтересуют исследователей суперкомпьютеров, которым нужны максимальные показатели при минимальных затратах.Утрируя, можно сказать так — кто не хочет создать суперкомпьютер, способный ответить на любой вопрос, работающий от пальчиков батареек, словно пульт от телевизора.