Фотоника vs Электроника: почему будущее за интеграцией технологий

Оптические компьютеры, медицинские сенсоры, плащи-невидимки — не все эти разработки, объединяющие метаматериалы и фотонику, приблизились к реальному применению. Особенно остро стоит вопрос с применением метаматериалов для увеличения мощностей вычислительных систем. Несмотря на то, что интерес к таким исследованиям не ослабевает, ученые начинают обращать внимание и на другие возможности, в том числе, на создание гибридных систем электронных и оптических устройств. О вызовах оптических наук и потенциале гибридных систем рассказал руководитель Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха, профессор Университета Аризоны Ильдар Габитов, который принял участие в конференции «Фундаментальные проблемы оптики».

В какой области вы проводите научные исследования?

Начну с краткого описания исследований, проводимых в центре фотоники и квантовых материалов Сколтеха. В настоящее время функционируют лаборатории гибридной фотоники и низкоразмерных материалов, в стадии формирования — лаборатория плазмоники и метаматериалов. В Сколтехе мы занимаемся исследованиями, относящимися как к области фундаментальных проблем фотоники и квантовой физики, так и их приложений. К ним относятся устройства на основе углеродных нанотрубок и графена, метаматериалы, квантовые вычислители, эффективные источники света, плазмонные волноводы с компенсацией потерь и многое другое. Кроме того, в настоящее время совместно с Университетом ИТМО и в рамках Проекта 5−100 запускаем проект по совмещению квантовой коммуникации с быстрыми системами высокоскоростной передачи информации. Недостаток квантовой коммуникации в том, что она медленная, плюс состоит в том, что она абсолютно защищена природой от неавторизованного доступа. В настоящее время достигнут колоссальный прогресс в создании систем, способных передавать громадные объемы информации. Проблема в том, как объединить одно с другим, и именно на это направлен проект. Мои научные интересы сосредоточены на проблемах высокоскоростной передачи информации на большие расстояния, где очень важны нелинейные эффекты, а также на изучении нелинейных свойств метаматериалов. В последнее время совместно с коллегами мы работаем над изучением поверхностных явлений на границе раздела метаматериал-диэлектрик, включая топологические изоляторы.

Для многих людей непонятно, почему для управления светом используются метаматериалы, но об этом много говорят, будто мы достигли предела в развитии наук об оптике?

В течение последнего десятилетия научная общественность находится в ожидании практического прогресса в области метаматериалов. Однако, несмотря на отдельные успехи, существенные практические результаты прорывного характера пока не достигнуты. Наибольших успехов удалось достигнуть в области применения метаматериалов в области сенсорики, в том числе и для оптико-акустической визуализации биологических объектов, когда металлические наночастицы внедряются в ткани и «подсвечивают» их под воздействием ультразвуковых акустических колебаний. О клиническом применении этого метода говорить еще рано, но это очень перспективная разработка.

Диэлектрический метаматериал изготовленный методом фотополимерной 3D печати. Источник: photonics.ifmo.ru
Диэлектрический метаматериал изготовленный методом фотополимерной 3D печати. Источник: photonics.ifmo.ru

Почему к метаматериалам возник большой интерес? Когда электрический кабель заменили на оптоволокно, стало возможным передавать огромные объемы данных — произошла революция в области передачи информации. Однако технологии ее обработки остались прежними и колоссальным образом «отстали» от технологии передачи информации. Долгое время ученые пытались устранить это несоответствие и изобрести для этого оптические технологии обработки информации. Решение этой задачи оказалось очень серьезной проблемой. Носителем информации в электроники являются электроны. Они имеют заряд, и ими можно управлять электрическим или магнитным полем. Фотоны, используемые в оптических устройствах нейтральны, поэтому управлять ими, как прежде, не представляется возможным. Появление метаматериалов давало надежду на возможность управления такими свойствами, как коэффициент преломления, что, в свою очередь, позволило бы манипулировать световыми потоками. Эта надежда стала важным, но не единственным мотивом, стимулировавшим взрывной интерес к этой области. Однако, несмотря на значительные усилия, эта задача до сих пор не решена. Сейчас ученые начинают работать в другом направлении: пытаются создать совместимые технологии, которые бы позволили осуществить гибридизацию высокой степени интеграции элементов электроники и фотоники.

Каково же будущее метаматериалов?

В настоящее время метаматериалы по-прежнему широко изучаются, но основные достижения заметны в микроволновом диапазоне, а не в оптическом. Относительно высокий темп исследований сохраняется в области разработки сенсоров, биомедицинских приложений, визуализации, оптических межсоединений. В каком-то смысле широкий интерес к метаматериалам начинает постепенно снижаться, поскольку ярких практических результатов после их открытия пока не последовало. Поэтому отцы-основатели, в свое время номинированные на Нобелевскую премию за исследования в области метаматериалов, премию пока не получили. Это, видимо, правильное и продуманное решение комитета, поскольку до сих пор ждет своего решения проблема определения лауреата за создание оптического волокна, совершившего революцию в современных информационных технологиях.

Вы сказали о совмещении технологий оптики и электроники. Какие самые актуальные разработки в этой области?

А заметных достижений здесь пока и нет. В электронике одно из самых значительных достижений состоит в том, что она может быть напечатана. Оптику печатать пока не научились. Кроме того, важно, чтобы изобретаемые устройства были надежны и удобны в использовании. Почему мобильный телефон так популярен? Он надежен, многофункционален и компактен. На заре электроники появились электронные лампы, затем транзисторы, потом микросхемы, микрочипы, и каждый раз эти устройства становились меньше. Этот процесс сопровождался увеличением степени интеграции устройств электроники. В телефоне примерно миллиард транзисторов. Если бы это были лампы, то они бы заняли два квартала, потребляли бы огромные объемы энергии и постоянно перегорали. Таким образом, количественные изменения элементов электроники в процессорах привели к качественным изменениям надежности, компактности и самое главное -к таким функциональным возможностям, которые лет 15 назад мы не могли себе представить. Однако эта технология не может развиваться далее, как раньше. Современные технологии работают на масштабах, равных примерно семи нанометрам. В этом случае возникает множество ограничивающих факторов, таких как значительное выделение тепла в единице объема, на элементарную логическую операцию уже приходится только один электрон (дальше некуда), заряд легко стекает с носителей такого малого размера. Серьезная проблема — соединительные провода, вносящие паразитные потери емкости и индуктивности. Большие надежды в решении этой проблемы возлагали на оптику. Совершенно ясно, какое огромное значение имеет развитие технологии оптических устройств высокой степени интеграции. Вспоминая пример с мобильными телефонами, сегодня мы не можем даже представить функциональные возможности устройств на их основе. Длина световой волны в телекоммуникационном диапазоне — 1500 нанометров. Вспомним, что электроны сегодня «работают» на уровне семи нанометров! По этой причине реализация оптических устройств высокой степени интеграции, сравнимой с устройствами электроники, весьма проблематична.

Источник: depositphotos.com
Источник: depositphotos.com

Кроме того, печатать фотонные устройства и управлять фотонами также пока весьма затруднительно. Именно поэтому сейчас популярна тема гибридных систем. В этой области есть продвижения, но они реализованы в виде устройств, лежащих на столах исследователей. Это пока не технология — ее нельзя напечатать в массовом порядке.

Какие свойства будут у новых гибридных систем?

Пока мы даже не можем представить, какой функционал получим у фотонного устройства высокой степени надежности и интеграции — точно так же мы не знали о функционале мобильных телефонов 15 лет назад. Пока бессмысленно говорить что-то конкретное по этому вопросу. В любом случае, гибридные системы должны стать эффективнее существующих. Но прежде нужно справиться с большим количеством вызовов. Например, как соединить фотонные элементы между собой? Транзисторы можно соединить, грубо говоря, проволокой. А как мы соединим новые оптические элементы, чтобы система работала безупречно даже при наличии некоторого процента сбоев в логических операциях? Я пока не знаю.

В каких еще областях будет развиваться оптика?

Еще одно новое направление — это так называемое Brain Photonics. Это попытки воздействовать на мозг очень тонкими оптоволоконными устройствами, которые возбуждают определенные участки мозга. Эти исследования направлены прежде всего на получение новых знаний о работе органа. Актуальны разработки в области биоинформатики, в том числе, по воздействию на биологические ткани с помощью фотонных устройств. Благодаря этому ученые уже сегодня могут проводить некоторые манипуляции с ДНК. Я уверен, что это направление работы очень перспективно.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба