Исследователи из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ создали теорию, позволяющую точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных схемах. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Applied, ученые представили алгоритмы расчета максимальной скорости передачи данных внутри оптоэлектронных микропроцессоров ближайшего будущего и нашли фундаментальные ограничения на пропускную способность нанофотонных интерфейсов.

Поверхностные плазмон-поляритоны представляют собой коллективные колебания электронов на поверхности металла вместе с окружающим их электромагнитным полем. Упрощенно поверхностный плазмон можно описать как «сплюснутый» квант света, и именно это обуславливает перспективность плазмонных устройств: их размеры не сильно превосходят размеры наноэлектронных компонентов, но с их помощью можно передавать куда больше информации, чем по электрическим проводам. Даже частичная замена металлических соединений на чипе на плазмонные (нанофотонные) позволит существенно повысить производительность микропроцессоров.

Проблемой является затухание сигнала — поверхностные плазмоны могут распространяться лишь по активным волноводам, которые не просто направляют сигнал от источника к приемнику, но и подпитывают его за счет энергии проходящего через устройство электрического тока. Добавление энергии извне компенсирует потери, и сигнал так же свободно распространяется по такому волноводу, как идут стрелки кварцевых часов до тех пор, пока в них не сядет батарейка.

С усилением сигналов и компенсацией потерь связана фундаментальная проблема. Любой усилитель не только увеличивает амплитуду всего, что поступает на его вход, но и сам добавляет помехи. Такие помехи в физике называют шумом. Законы термодинамики указывают на то, что шум той или иной природы будет неизбежно возникать в любой системе: сделать устройство, в котором шумов нет, принципиально невозможно. Как правило, искажения исходного сигнала определяются именно шумом, что фундаментально ограничивает скорость передачи информации по различным каналам связи или вызывает ошибки при ее приеме. А чтобы повысить скорость обмена данными, надо улучшить соотношение сигнал-шум. Важность этого соотношения легко поймет каждый, кто пробовал общаться на оживленной улице или настраивать радиоприемник вдали от города.

«Шумы играют ключевую роль чуть ли не в половине всех бытовых устройств: начиная с мобильных телефонов и телевизоров и заканчивая оптоволоконными сетями интернета. Усиление сигнала неизбежно приводит к ухудшению соотношения сигнал-шум. Причем чем больше усиление или, как в нашем случае, компенсируемые потери, тем больше шума следует ожидать на выходе. В плазмонных волноводах с усилением это проявляется наиболее ярко», — комментирует актуальность проблемы Дмитрий Федянин.

В новой статье, представленной Дмитрием Федяниным и Андреем Вишневым на страницах журнала Physical Review Applied, речь идет об особом виде шума, а именно о фотонном шуме, возникающем при усилении плазмонных сигналов в полупроводниковых устройствах. Основным его источником является так называемое спонтанное излучение. Дополнительная энергия поступает в сигнал при переходах электронов из состояний с большей энергией в состояния с меньшей: разница в энергии этих состояний излучается в виде световых квантов, и такое излучение может быть как вынужденным, так и спонтанным. Вынужденное излучение усиливает сигнал, а вот спонтанное дает шум, причем в виде излучения с разной энергией квантов, то есть в широком спектре. Шум проявляется как случайные колебания интенсивности излучения, возникающие в результате биений — наложения отдельных частотных компонент сигнала и спонтанной эмиссии. При этом чем больше усиление, тем сильнее шум, тем шире спектры вынужденной и спонтанной эмиссии и тем менее правомерны подходы квантовой оптики, разработанные для описания отдельных атомов. Большое усиление на наномасштабах в активных плазмонных волноводах заставило исследователей решать задачу фактически с чистого листа.

«Нам пришлось объединить три области, которые крайне редко одновременно пересекаются друг с другом в научном мире: квантовую оптику, физику полупроводников и оптоэлектонику. Мы разработали подход к описанию фотонного шума в системах со средой, усиливающей в широком спектральном диапазоне. Несмотря на то, что изначально теория создавалась для плазмонных волноводов, наш подход можно применять для любых оптических усилителей и подобных им систем», — объясняет Дмитрий Федянин.

Шум ведет к ошибкам при передаче данных, что сильно снижает фактическую скорость передачи информации из-за необходимости использовать алгоритмы коррекции ошибок. Коррекция ошибок, помимо уменьшения скорости, требует наличия в чипе дополнительных компонентов, которые бы эту коррекцию реализовывали на аппаратном уровне, что значительно усложняет как проектирование, так и производство новых устройств.

«Зная мощность шума в нанофотонном канале связи и спектральные характеристики шума, можно вычислить, с какой максимальной скоростью возможно передавать информацию по такому каналу. Кроме того, мы можем определить, как уменьшить шум, выбирая определенные режимы работы устройства и используя электронную или оптическую фильтрацию», — продолжает Андрей Вишневый.

Новая теория позволяет, в частности, понять, возможно ли в будущем создание принципиально нового класса устройств — плазмонно-электронных чипов. В таких чипах компактные плазмонные компоненты должны применяться для передачи данных между вычислительными ядрами и регистрами процессора на сверхвысоких скоростях. Ранее считалось, что основным препятствием на этом пути является ослабление сигнала; однако, согласно работе исследователей из МФТИ, после компенсации потерь на первый план выходит проблема шумов. Сигнал, в принципе, может просто утонуть в шуме спонтанного излучения, что сделает чип абсолютно бесполезным.

Проведенные исследователями расчеты показывают, что в активном плазмонном волноводе размером лишь 200×200 нанометров можно эффективно передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров. Это расстояние может показаться очень малым по бытовым меркам, но оно является типичным для современных микропроцессоров. При этом скорость передачи информации будет превышать 10 Гбит/с на один спектральный канал (канал передачи информации, реализованный на фиксированной длине волны), а таких спектральных каналов в одном наноразмерном волноводе умещается до нескольких десятков при использовании технологии спектрального уплотнения каналов, которая применяется во всех оптических линиях коммуникации, включая широкополосный интернет. Для сравнения: максимальная скорость передачи информации по электрическому соединению тех же размеров (т. е. по медной дорожке на чипе) составляет всего 20 Мбит/с, то есть более чем в 500 раз меньше!

Ученые подробно исследовали, как меняются характеристики шума и его мощность в зависимости от параметров плазмонного волновода с компенсацией потерь, а также показали, как можно понизить уровень шума для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного интерфейса. Они продемонстрировали сочетание малых размеров, малого числа ошибок при высокой скорости передачи данных и достаточно высокой энергоэффективности в одном устройстве, что может уже в ближайшее десятилетие обеспечить «плазмонный прорыв» в микроэлектронике.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда #14-19-01788 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5-100».

Ссылка на оригинальную статью: A.A. Vyshnevyy, D.Yu. Fedyanin, Spontaneous emission and fundamental limitations on the signal-to-noise ratio in deep-subwavelength plasmonic waveguide structures with gain // Physical Review Applied 6, 064024 (2016).