Дослідники з Лабораторії нанооптики і плазмоніки Центру нанорозмірної оптоелектроніки МФТІ створили теорію, що дозволяє точно передбачати шуми, що виникають при посиленні фотонних і плазмонних сигналів в нанорозмірних схемах. Вчені представили алгоритми розрахунку максимальної швидкості передачі даних всередині оптоелектронних мікропроцесорів найближчого майбутнього і знайшли фундаментальні обмеження на пропускну здатність нанофотонних інтерфейсів.
Поверхневі плазмон-поляритони являють собою колективні коливання електронів на поверхні металу разом з навколишнім їх електромагнітним полем. Спрощено поверхневий плазмон можна описати як «сплюснутий» квант світла, і саме це обумовлює перспективність плазмонних пристроїв: їх розміри не сильно перевершують розміри наноелектронних компонентів, але з їх допомогою можна передавати куди більше інформації, ніж по електричних проводах. Навіть часткова заміна металевих сполук на чіпі на плазмонні (нанофотонні) дозволить істотно підвищити продуктивність мікропроцесорів.
Проблемою є загасання сигналу - поверхневі плазмони можуть поширюватися лише по активних хвилеводах, які не просто направляють сигнал від джерела до прийомника, але і підживлюють його за рахунок енергії проходить через пристрій електричного струму. Додавання енергії ззовні компенсує втрати, і сигнал так само вільно поширюється по такому хвилеводу, як йдуть стрілки кварцового годинника до тих пір, поки в них не сяде батарейка.
З посиленням сигналів і компенсацією втрат пов'язана фундаментальна проблема. Будь-який підсилювач не тільки збільшує амплітуду всього, що надходить на його вхід, але і сам додає перешкоди. Такі перешкоди у фізиці називають шумом. Закони термодинаміки вказують на те, що шум тієї чи іншої природи буде неминуче виникати в будь-якій системі: зробити пристрій, в якому шумів немає, принципово неможливо. Як правило, спотворення вихідного сигналу визначаються саме шумом, що фундаментально обмежує швидкість передачі інформації по різних каналах зв'язку або викликає помилки при її прийомі. А щоб підвищити швидкість обміну даними, треба поліпшити співвідношення сигнал-шум. Важливість цього співвідношення легко зрозуміє кожен, хто пробував спілкуватися на жвавій вулиці або налаштовувати радіоприймач далеко від міста.
"Шуми грають ключову роль мало не в половині всіх побутових пристроїв: починаючи з мобільних телефонів і телевізорів і закінчуючи оптоволоконними мережами інтернету. Посилення сигналу неминуче призводить до погіршення співвідношення сигнал-шум. Причому чим більше посилення або, як у нашому випадку, компенсовані втрати, тим більше шуму слід очікувати на виході. У плазмонних хвилеводах з посиленням це проявляється найбільш яскраво ", коментує актуальність проблеми Дмитро Федянин.
У новій статті, представленій Дмитром Федяниним і Андрієм Вишневим на сторінках журналу Physical Review Applied, мова йде про особливий вид шуму, а саме про фотонний шум, що виникає при посиленні плазмонних сигналів у напівпровідникових пристроях. Основним його джерелом є так зване спонтанне випромінювання. Додаткова енергія надходить у сигнал при переходах електронів зі станів з більшою енергією до стану з меншою: різниця в енергії цих станів випромінюється у вигляді світлових квантів, і таке випромінювання може бути як вимушеним, так і спонтанним. Вимушене випромінювання підсилює сигнал, а ось спонтанне дає шум, причому у вигляді випромінювання з різною енергією квантів, тобто в широкому спектрі. Шум проявляється як випадкові коливання інтенсивності випромінювання, що виникають в результаті бієнь - накладення окремих частотних компонент сигналу і спонтанної емісії. При цьому чим більше посилення, тим сильніший шум, тим ширші спектри вимушеної і спонтанної емісії і тим менш правомірні підходи квантової оптики, розроблені для опису окремих атомів. Велике посилення на наномасштабах в активних плазмонних хвилеводах змусило дослідників вирішувати завдання фактично з чистого аркуша.
"Нам довелося об'єднати три області, які вкрай рідко одночасно перетинаються один з одним у науковому світі: квантову оптику, фізику напівпровідників та оптоелектоніку. Ми розробили підхід до опису фотонного шуму в системах з середовищем, що підсилює в широкому спектральному діапазоні. Незважаючи на те, що спочатку теорія створювалася для плазмонних хвилеводів, наш підхід можна застосовувати для будь-яких оптичних підсилювачів і подібних їм систем ", пояснює Дмитро Федянин.
Шум веде до помилок під час передачі даних, що сильно знижує фактичну швидкість передачі інформації через необхідність використовувати алгоритми корекції помилок. Коригування помилок, крім зменшення швидкості, вимагає наявності в чіпі додаткових компонентів, які б цю корекцію реалізовували на апаратному рівні, що значно ускладнює як проектування, так і виробництво нових пристроїв.
"Знаючи потужність шуму в нанофотонному каналі зв'язку і спектральні характеристики шуму, можна вирахувати, з якою максимальною швидкістю можливо передавати інформацію по такому каналу. Крім того, ми можемо визначити, як зменшити шум, вибираючи певні режими роботи пристрою і використовуючи електронну або оптичну фільтрацію ", продовжує Андрій Вишневий.
Нова теорія дозволяє, зокрема, зрозуміти, чи можливо в майбутньому створення принципово нового класу пристроїв - плазмонно-електронних чіпів. У таких чіпах компактні плазмонні компоненти повинні застосовуватися для передачі даних між обчислювальними ядрами і регістрами процесора на надвисоких швидкостях. Раніше вважалося, що основною перешкодою на цьому шляху є ослаблення сигналу; однак, згідно з роботою дослідників з МФТІ, після компенсації втрат на перший план виходить проблема шумів. Сигнал, в принципі, може просто потонути в шумі спонтанного випромінювання, що зробить чіп абсолютно марним.
Проведені дослідниками розрахунки показують, що в активному плазмонному хвилеводі розміром лише 200x200 нанометрів можна ефективно передавати сигнал на відстань до 5 міліметрів. Ця відстань може здатися дуже малою за побутовими мірками, але вона є типовою для сучасних мікропроцесорів. При цьому швидкість передачі інформації буде перевищувати 10 Гбіт/с на один спектральний канал (канал передачі інформації, реалізований на фіксованій довжині хвилі), а таких спектральних каналів в одному нанорозмірному хвилеводі вміщується до декількох десятків при використанні технології спектрального ущільнення каналів, яка застосовується у всіх оптичних лініях комунікації, включаючи широкосмуговий інтернет. Для порівняння: максимальна швидкість передачі інформації з електричного з'єднання тих же розмірів (тобто по мідній доріжці на чіпі) складає всього 20 Мбіт/с, тобто більш ніж в 500 разів менше!
Вчені детально досліджували, як змінюються характеристики шуму і його потужність залежно від параметрів плазмонного хвилевода з компенсацією втрат, а також показали, як можна знизити рівень шуму для досягнення максимальної пропускної здатності такого нанофотонного інтерфейсу. Вони продемонстрували поєднання малих розмірів, малого числа помилок при високій швидкості передачі даних і досить високої енергоефективності в одному пристрої, що може вже в найближче десятиліття забезпечити «плазмонний прорив» в мікроелектроніці.