КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер14-19-01788

НазваниеАктивные плазмонные межсоединения на кристалле

РуководительАрсенин Алексей Владимирович , Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)", Московская обл

Года выполнения2014 - 2016

КонкурсКонкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-707 - Элементная база квантовых компьютеров и систем связи

Ключевые словаоптические межсоединения, активная плазмоника, нанолазер, спазер, плазмонные волноводы, оптический усилитель, компенсация потерь, электрическая накачка, металл-полупроводниковые структуры, диод Шоттки, металл-диэлектрик-полупроводниковый диод, гетеропереходы, гетероструктуры

Код ГРНТИ29.33.39


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку эффективных схем компенсации потерь и усиления поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) в наноразмерных волноведущих и резонаторных металл-диэлектрик-полупроводниковых структурах за счет использования компактной электрической накачки. Поверхностные плазмон-поляритоны, будучи поверхностными электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль границы металл-диэлектрик, позволяют перешагнуть классический дифракционный предел и создавать оптические компоненты сопоставимые по размерам с современными электронными компонентами на кристалле (около 100 нм, что значительно меньше длины волны света). Однако практическое применение ППП сдерживается высокими омическими потерями в металле, которые должны быть компенсированы. Полная компенсация этих потерь позволит наноразмерным металл-полупроводниковым структурам стать идеальной платформой для создания наноразмерных оптоэлектронных компонентов для оптических межсоединений на кристалле, таких как интегрированные источники излучения и линии передачи информации между логическими блоками внутри чипа. Предложенные к настоящему времени схемы усиления ППП путем создания инверсной заселенности в активной среде, расположенной вблизи поверхности металла, при помощи оптической накачки представляются неэффективными, в связи с тем, что для полной компенсации потерь ППП требуемая интенсивность лазера накачки составляет более 100 кВт/см2, что приводит к необходимости использования внешнего высокогабаритного импульсного лазера высокой мощности и является недопустимым в схемах на кристалле. Проект нацелен на разработку схемы электрической накачки интегрированной в активный плазмонный волновод или резонатор, которая помимо малых размеров характеризуется высокой энергоэффективностью. Перспективными являются инжекционные схемы на основе диода Шоттки, металл-диэлектрик-полупроводникового (МДП) диода и комбинации этих схем с гетеропереходами. Особые перспективы мы связываем с двойной гетероструктурой с туннельным контактом Шоттки, которая должна позволить устранить трудности размещения активного слоя вблизи поверхности металла, обеспечить эффективную инжекцию неравновесных носителей в активный слой и минимизировать токи утечки. Ожидается, что пороговые значения тока накачки не превысят десятков кА/см2 при комнатной температуре, что является достаточным для создания устройств не только импульсного, но и непрерывного действия. Помимо разработки схем компенсации потерь, планируется разработка активных плазмонных волноводов с высокой локализацией моды, перспективных для использования в оптических межсоединениях на кристалле с высокой полосой пропускания, а также интегрированных на кристалле оптических (как фотонных, так и плазмонных) когерентных и некогерентных источников излучения с субволновыми размерами на основе металл-полупроводниковых структур с инжекционной накачкой.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что планируемое исследование позволит получить значимые результаты, как для фундаментальной науки, так и для технических приложений. Одним из главных результатов выполнения проекта станет разработка новых схем компенсации потерь и усиления поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) на основе электрической накачки, которые будут отличаться высокой эффективностью и обеспечивать интеграцию с наноразмерными плазмонными волноводами и резонаторами. Будет продемонстрировано, что используя эти схемы усиления ППП, можно осуществить полную компенсацию потерь ППП при использовании электрической накачки. Ожидается, что полученные пороговые значения тока накачки составят десятки кА/см2 при комнатной температуре и будут на порядок меньше при низких температурах. Ожидается высокая эффективность электрической накачки (до 10% и более), в частности в схеме на основе двойной гетероструктуры с контактом Шоттки. Будут разработаны наноразмерные активные плазмонные волноводы с электрической накачкой. При этом их пропускная способность составит более 100 Гбит/с, несмотря на необходимость компенсации потерь. Достижение данных параметров (малый размер, высокая степень интеграции, высокая энергоэффективность, высокая пропускная способность) дает активным плазмонным волноводам преимущество перед фотонными и чисто электронными компонентами в оптических межсоединениях, что позволяет рассчитывать на внедрение активных плазмонных компонентов в верхние уровни межсоединений интегральных микропроцессоров. Будут созданы модели и написаны программы для моделирования компенсации потерь и усиления ППП в наноразмерных металл-диэлектрик-полупроводниковых волноводах. На основании результатов моделирования будут получены характеристики активных плазмонных волноводов и определены рабочие диапазоны токов и температур. Будет разработан когерентный фотонный источник излучения с электрической накачкой на основе плазмонных металл-полупроводниковых структур с субволновыми размерами, а также когерентный источник ППП с электрической накачкой. Такого рода интегрированные оптические источники высоко востребованы в оптических межсодинениях на кристалле. Будут созданы модели и написаны программы для моделирования таких наноразмерных источников излучения. Будет проведено их моделирование и получены выходные характеристики при комнатных и низких температурах. Предполагается, что уровень полученных результатов будет сопоставим с мировым, а в целом проект будет опережать аналогичные исследования в данной области, благодаря чему результаты проекта будут опубликованы в ведущих профильных научных журналах (например, Nano Letters (импакт-фактор 13,025), Nature Communications (10,015), Optics Express (3,546), Optics Letters (3,385), Applied Physics Letters (3,794)) и представлены на ведущих профильных конференциях (International Conference on Optical Communication Systems, International Conference on Surface Plasmon Photonics, Frontiers in Optics и др.). Предполагается, что 2014 году будет опубликована, по крайней мере, одна статья в журнале с импакт-фактором не ниже 3. В 2015 и 2016 гг. предполагается публикация не менее 5 статей. Авторы проекта ставят своей целью получение значимых научных результатов, которые могут быть опубликованы в ведущих периодических изданиях по профилю предлагаемых исследований. Предполагается патентование разработок, имеющих перспективы для коммерческой реализации.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация полученных результатов в 2014 году
Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) позволяют перешагнуть классический дифракционный предел и создавать оптические компоненты сопоставимые по размерам с современными электронными компонентами на кристалле, что позволяет использовать весь потенциал фотонов на типичных нанометровых масштабах электроники и открывает путь к созданию сверхбыстрых и энерегоэффективных устройств обработки информации. Однако практическое применение ППП сдерживается высокими омическими потерями в металле, которые должны быть компенсированы. Проект ориентирован на разработку эффективных схем компенсации потерь и усиления ППП в наноразмерных волноведущих и резонаторных металл-диэлектрик-полупроводниковых структурах за счет использования компактной электрической накачки, интегрируемой на кристалле. В рамках первого этапа проекта сформулированы общие подходы к созданию инверсной заселенности в полупроводниковой среде, находящейся вблизи поверхности металла, при электрической инжекции и предложен ряд принципиально новых схемы электрической накачки, которые в ближайшем будущем позволят создать энергоэффективные активные плазмонные волноводы с высокой степенью интеграции и наноразмерные интегрированные на кристалле источники излучения для оптических межсоединений на кристалле. Кроме того нами продемонстрирован потенциал активных плазмонных устройств. Нами рассмотрена передача оптического сигнала по компактному активному волноводу T-типа на основе Au/InAs контакта Шоттки с InAs/AlAsSb гетеропереходом и показано, что в режиме полной компенсации потерь спонтанная эмиссия излучаемая в плазмонную моду не представляет серьезного источника шума и при типичных для межсоединений на кристалле значений энергий оптических импульсов соотношение сигнал/шум превышает 200 при битовом потоке 500 Гбит/c. Несмотря на плотность тока в 18 кА/см^2, благодаря малым размерам волновода и эффективному охлаждению нагрев не превышает единиц Кельвин. Результирующая энергоэффективность схемы компенсации составила около 70 фДж/бит, что в совокупности с эффективными плазмонными модуляторами и детекторами сравнимо с менее компактной кремниевой фотоникой. Несмотря на достаточно хорошие характеристики, мы продолжили поиск более эффективных схем, которые позволили бы обеспечить стабильную работу при комнатной температуре. Нами предложена уникальная схема компенсации потерь и усиления ППП на основе туннельного металл-диэлектрик-полупроводникового контакта. Разработана модель описания транспорта носителей заряда и усиления ППП и предложен активный Au/HfO2/InAs/SiO2 плазмонный волновод на основе туннельного Au/HfO2/p-InAs МДП контакта. Проведено самосогласованное моделирование компенсации потерь и усиления ППП и численно продемонстрирована полная компенсация потерь при токах накачки около 2.4-2.7 кА/см^2 в зависимости от плотности поверхностных состояний на границе раздела HfO2/InAs, что на порядок меньше, чем в случае схем на основе контакта Шоттки. Показано, что замена золота на медь увеличивает, оптические потери, но ведет к лучшим электрическим свойствам, что уменьшает пороговый ток до 0.8 до 1.0 кА/см^2, вплотную приближая его к пороговым токам гетероструктурных лазеров на InAs. Также предложена принципиально новая схема усиления ППП на основе двойной гетероструктуры с туннельным контактом Шоттки, позволяющая приблизить активную область к металлу на расстояние 50 нм. В тоже время такая схема позволяет эффективно инжектировать носители из золота без использования различных сплавов и многослойных структур, характеризующихся высокими оптическими потерями. Предварительные результаты моделирования показывают возможность полной компенсации потерь ППП при комнатной температуре и плотностях тока порядка 10 кА/см^2.

 

Публикации

1. Свинцов Д.А., Лейман В.Г., Рыжий В.И., Отсуджи Т., Щур М.С. Graphene nanoelectromechanical resonators for detection of modulated terahertz radiation Journal of Physics D: Applied Physics, 50, 47, 505105 (год публикации - 2014).


Аннотация полученных результатов в 2015 году
Использование поверхностных плазмон-поляритонов (ППП), поверхностных электромагнитных волн, распространяющимися вдоль границы металл-диэлектрик, интегральных оптических компонентах позволяет понизить их размеры до размеров электронных компонентов на прядки повышая их интеграции по сравнению с фотонных компонентами. В то же время ключевым материалом становится металл обладающий отрицательной диэлектрической проницаемости на оптических частотах, дающий возможность локализовать электромагнитное поле оптических мод на масштабах много меньше длины волны света. Это в свою очередь ведет к большому поглощению, вызванному металлом, а следовательно многие характеристики плазмонных компонентов оказываются сильно ниже, чем характеристики фотонных компонентов. На преодоления этого ограничению путем компенсации омических потерь в металле за счет использования компактной электрической накачки, интегрируемой на кристалле и направлен данный проект. На втором этапе проекта мы продолжили детальное исследование ранее разработанных нами схем и предложили новые с целью обеспечения энергоэффективной работы плазмонных компонентов не только при криогенных, но и при комнатной температуре. Была преложенная схема на основе двойной гетероструктуры с туннельным контактом Шоттки продемонстрировала эффективную работу при 300 К. Ток накачки, при котором достигается режим полной компенсации потерь, составил немногим более 10 кА/см2 при 300 K, а ожидаемая энергоэффективность оптических межсоединений на основе таких активных плазмонных волноводов сопоставима с фотонными межсоединениями. Было также показано, что вне зависимости от схемы компенсации потерь, активные плазмонные волноводы обязательно требую охлаждения, что может реализовано при помощи обычных радиаторов. Помимо этого, нами было экспериментально продемостриовано, что омические потери в металле можно уменьшить до разумных значений, используя КМОП совместимый процесс, что является чрезвычайно как для уменьшения пороговых токов в активных плазмонных структурах, так и для создания пассивных плазмонных компонентов. Информация о проекте в сети Интернет: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/ Публикации в СМИ: 1. Stewart Wills, A Step Toward Practical Plasmonic Chips? // Optics & Photonics News http://www.osa-opn.org/home/newsroom/2015/august/a_step_toward_practical_plasmonic_chips/#.Vm4GVkqLRD8 2. Practical Plasmonic Chip? // Optics & Photonics News, October, p. 10 (2015). 3. Stuart Milne, Electric Pumping Helps Eliminate Energy Losses of Surface Plasmons in Optical Devices // AZoNano http://www.azonano.com/news.aspx?newsID=33422 4. Optical Communication Could Tenfold Computer Performance // Computer Stories http://computerstories.net/optical-communication-could-tenfold-computer-performance-16411 5. MIPT Researchers Clear The Way For Fast Plasmonic Chips // Photonics Online http://www.photonicsonline.com/doc/mipt-researchers-clear-the-way-for-fast-plasmonic-chips-0001 6. Researchers clear the way for fast plasmonic chips // Phys.org http://phys.org/news/2015-08-fast-plasmonic-chips.html

 

Публикации

1. Федянин Д.Ю., Якубовский Д.И., Киртаев Р.В., Волков В.С. Ultralow-loss CMOS copper plasmonic waveguides Nano Letters, 16, 1, 362-366 (год публикации - 2015).

2. Вышневый А.А., Федянин Д.Ю. Self-heating and cooling of active plasmonic waveguides ACS Photonics, 3, 1, 51-57 (год публикации - 2015).

3. Свинцов Д.А., Арсенин А.В., Федянин Д.Ю. Full loss compensation in hybrid plasmonic waveguides under electrical pumping Optics Express, 23, 15, 19358-19375 (год публикации - 2015).


Аннотация полученных результатов в 2016 году
Разработан теоретический аппарат на основе квантовой оптики для расчета спектра спонтанной эмиссии в несущую моду и фотонного шума в волноводах с компенсацией потерь, на основе которых предполагается создание плазмонных межсоединений на кристалле. При этом строго учитывается широкий спектр спонтанной эмиссии из активной среды. Применив данный аппарат для расчета спонтанной эмиссии и шума в плазмонном волноводе с высокой локализацией плазмонной моды и, соответственно, высокими модальными потерями на поглощение в металле (1300 см^-1) мы получили, что такие волноводы пригодны для надежной передачи оптического сигнала на чипе, несмотря на то, что мощность спонтанной эмиссии может превышать мощность сигнала. В то же время, фотонный шум является одним из факторов, устанавливающих ограничения на дальность передачи сигнала, его минимальную мощность и несущую длину волны. Рассмотрены способы снижения фотонного шума, в частности, путем узкополосной оптической фильтрации сигнала перед детектированием, изменения геометрии волновода и изменения несущей длины волны. Выполнена разработка конструкции и моделирование работы когерентного источника поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) на кристалле, имеющего субволновые размеры и работающего от электрической накачки. В процессе была найдена оптимальная геометрия резонатора, подобран состав полупроводниковой гетероструктуры, обеспечивающей возможность электрической инжекции носителей заряда в активную область, охарактеризован модовый состав резонатора, найдено оптимальное расстояние между резонатором и волноводом, в который выводится излучение нанолазера. Были получены выходные характеристики, включающие в себя мощность выходного излучения в зависимости от тока накачки при различных температурах. Показано, что выходная мощность нанолазера при комнатной температуре достаточна для его применения в плазмонных и фотонных межсоединениях на кристалле, при этом практически вся выходная мощность излучается в одну моду. Также была определена эффективность преобразования преобразования электрической энергии в энергию ППП. Охарактеризован потенциал однофотонных источников на базе NV-центров в алмазе для применений в компактных схемах квантовой обработки информации на чипе. Разработана модель их электролюминесценции и оценен максимальный темп однофотонной эмиссии при различных температурах окружающей среды. Информация о проекте в сети Интернет: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/funding_ru/russian-science-foundation-on-chip-active-plasmonic-interconnects.php Публикации в СМИ: 1. Russian Scientists May Have Solved One of the Major Barriers to Light-Based Computers // Defense One http://www.defenseone.com/technology/2016/01/russian-scientists-may-have-solved-one-major-barriers-light-based-computers/125398/ 2. Nanoscale Thermal Interfaces Eliminate Overheating in Future Photonic Circuits // IEEE Spectrum http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/optoelectronics/nanoscale-thermal-interfaces-eliminate-overheating-in-future-photonic-circuits 3. Here’s why we don’t have light-based computing just yet // ExtremeTech http://www.extremetech.com/extreme/223671-heres-why-we-dont-have-light-based-computing-just-yet 4. В МФТИ разработана новая система охлаждения процессоров // Наука и жизнь https://www.nkj.ru/news/28001/ 5. Российские ученые обещают "медную революцию" в нанофотонике // ТАСС http://tass.ru/nauka/2677659 6. Медь помогла нанофотонике преодолеть дифракционный предел // N+1 Интернет-издание https://nplus1.ru/news/2016/02/18/oppernanophotonics 7. Ученые доказали, что медь сможет заменить золото и серебро в фотонных устройствах // Газета.Ру https://www.gazeta.ru/science/news/2016/02/18/n_8267603.shtml 8. Physicists promise a copper revolution in nanophotonics // Phys.org http://phys.org/news/2016-02-physicists-copper-revolution-nanophotonics.html 9. Фотонный прорыв. Как свет ляжет в основу компьютеров будущего // Republic https://republic.ru/special/photonchip 10. Дмитрий Федянин об электронике и оптических элементах компьютера // Радио Говорит Москва, программа «Ученый свет» http://chrdk.ru/tech/uchsvet_dmitriy_fedyanin_1 11. Дмитрий Федянин о новых процессорах // Радио Говорит Москва, программа «Ученый свет» http://chrdk.ru/tech/uchsvet_dmitriy_fedyanin_2 Видео: https://www.youtube.com/watch?v=XwYyJYi5uvg https://www.youtube.com/watch?v=F2swJVeIBOQ&t=10s

 

Публикации

1. - Electroluminescent diamonds could serve as the heart of quantum networks ExtremeTech, - (год публикации - ).

2. Федянин Д.Ю., Аджио М. Ultrabright single-photon source on diamond with electrical pumping at room and high temperatures New Journal of Physics, 18 (год публикации - 2016).

3. - Квантовый алмаз может стать сердцем квантовой связи и компьютеров будущего "Вести" интернет-газета" ("VESTI.RU"), - (год публикации - ).

4. Вышневый А.А., Федянин Д.Ю. Spontaneous emission in deep-subwavelength plasmonic waveguide structures with gain and fundamental limitations on the signal-to-noise ratio Physical Review Applied, Аннотация статьи опубликована на сайте Physical Review Applied (год публикации - 2016).

5. - В МФТИ разработана новая система охлаждения процессоров Наука и жизнь, 19 января 2016 (год публикации - ).

6. - Diamond-based light sources will lay a foundation for quantum communications of the future EurekAlert!, - (год публикации - ).

7. - Diamond-based Light Sources Will Lay Foundation for Future Quantum Communications Scientific Computing, - (год публикации - ).