Nedávno objevené materiály pro fázovou změnu jsou…

Minulý týden vědci z University of Southampton navrhli materiály pro fázovou změnu, o nichž tvrdí, že by mohly „způsobit revoluci v optických obvodech“ a dokonce nahradit tradiční elektroniku.

Vědecký pracovník Dr. Ioannis Zeimpekis pózuje v komplexu čistých prostor. Obrázek použit s laskavým svolením Southampton University.

Vědci tvrdí, že tento nový materiál vykazuje velmi nízké ztráty na telekomunikačních vlnových délkách a lze jej nahradit velmi malým výkonem.

Materiály fázové změny ve fotonice

Konvenční komunikační elektronika spotřebovává významnou část své energie na úrovni propojení a její šířka pásma je omezena délkou přímé komunikace. Použití fotonů místo elektronů snižuje tato omezení, při nichž do hry vstupuje fotonické pole. Většina komunikace optickými vlákny probíhá v oblasti vlnových délek, kde má optická vlákna velmi malou ztrátu přenosu. Při vlnové délce 1550 nm je jakákoli ztráta optického vlákna minimální. Materiály pro fázovou změnu jsou navrženy a testovány na této vlnové délce, aby demonstrovaly výhody telekomunikačních aplikací. Aby bylo možné konkurovat elektronickým zařízením, musí být fotonická zařízení přeprogramovatelná a překonfigurovatelná a musí poskytovat větší integraci a miniaturizaci. Hustý. Studie materiálů s fázovou změnou chalkogenitu ukazují, že materiál s fázovou změnou (PCM) může při zahřívání elektrickými nebo optickými impulsy krystalizovat (NASTAVITELNĚ) a znovu milovat (RESET). To nejen významně mění elektrický odpor, ale také významně mění optické vlastnosti PCM. Změnu vlastností lze použít pro různé aplikace ve fotonice.

Byl objeven nový materiál pro fázovou změnu

Materiály pro fázovou změnu ve fotonice umožňují velmi rychlou změnu mezi stavy. Vědci z University of Southampton zjistili, že použití Sb2S3 a Sb2Se3 jako materiálů pro fázovou změnu mělo nejnižší ztráty ze všech dostupných technologií.

Různé optické obrazy křemíkových čipů s tenkými vrstvami Sb2S3 (obraz v a, c a e) a Sb2Se3 (obraz v b, d a f). Obrázek použit s laskavým svolením Southampton University.

Tyto materiály byly umístěny do optických čipů, kde byl použit krátký laserový puls ke krystalizaci materiálu a změně fáze směrovaného světla. Vědci tuto vlastnost prokázali tisíckrát reverzibilně. Materiál si navíc pamatuje svůj konečný stav bez použití jakéhokoli signálu, což poskytuje významné potenciální úspory energie. Jak Sb2S3, tak Sb2Se3 jsou vysoce transparentní při vlnové délce telekomunikací asi 1550 nm a mají středně velký index lomu. Křemík je vhodný pro fotonické komponenty, a tak nabízí dvě významné výhody oproti tradičním materiálům pro fázovou změnu, jako je GST. Při integraci do křemíkových vlnovodů mají tyto materiály ztrátu šíření. O dva řády nižší než běžně používaný optický materiál (GST – Ge2Sb2Te5).

Jak nový PCM ovlivní telekomunikační design?

Optoelektronika umožňuje integrované optické senzory, paměti a displeje poskytováním přenosu informací pomocí vlnovodů a optických vláken. Zatímco pro ukládání dat se používají elektronické systémy, fotonická data mají výhodu, když je třeba je transportovat. Datová centra mají dnes rostoucí potřebu zpracovávat velké množství dat kvůli online přenosu. cloudové úložiště a cloud computing. To platí zejména během rostoucího přetížení datových center kvůli poptávce zůstat na místě během COVID-19. Optická propojení se používají v datových centrech, protože mohou přenášet data velmi vysokou rychlostí se značnou ztrátou energie. malé ve srovnání s elektronikou. Ve skutečnosti tento výzkum z University of Southampton přichází bezprostředně po výzkumu Microsoft a University College London a ukazuje, že optické přepínače mohou být odpovědí na rozšíření Moorova zákona v datových centrech. telekomunikační průmysl musí navrhovat zařízení, jako jsou vysílače a přijímače, směrovače a mřížky vlnovodů (AWG); V takových aplikacích jsou užitečné fotonické integrované obvody. Použití nedávno objeveného PCM ukazuje možnost menší spotřeby energie a většího zpracování dat.

Budoucnost křemíkových fotonických obvodů

Technologie vyvinutá na University of Southampton je kompatibilní s existujícími křemíkovými fotonickými obvody a připravuje ji na „přenos technologie“ do komerčně používaných aplikací. Tato schopnost otevírá dveře neuromorfním výpočtům tím, že umožňuje řízený tok iontů / fotonů, který pomáhá umělým neuronům vzájemně komunikovat. Můžete to porovnat s dnešními hlubokými neuronovými sítěmi, kde je výpočetní složitost vysoká a má značnou spotřebu energie. Kromě toho bude tato nová technologie ve fotonice (rychlá fázová změna) stimulovat růst nových aplikací, jako je například LiDAR. Pevné a kvantové výpočty jsou omezeny výkonem aktuálně dostupných materiálů. Dalším důvodem, proč jsou materiály s fázovou změnou (PCM) slibné, je to, že na rozdíl od optoelektronických účinků v tradičních materiálech (jako je Si) jsou vlastnosti PCM, LiNbO3), PCM rychle a výrazně se může lišit. Kromě toho je lze udržovat v energeticky nezávislých stavech bez nepřetržité elektrické nebo optické polarizace. Výzkumníci z MIT, University of Pennsylvania, University of Minnesota, Purdue University a University of Maryland proto zjistili, že fotonická zařízení využívající PCM mají menší velikosti a nižší výkon než zařízení založená na konvenčních optoelektronických materiálech. mohou mít spotřebu.

Schéma různých částí programovatelného fotonického čipu.

Schéma různých částí programovatelného fotonického čipu. Obrázek s laskavým svolením výzkumné skupiny pro fotoniku z Ghent University.

„Kvantové optické obvody na obzoru a komponenty s velmi nízkou ztrátou jsou nutné k dalšímu kroku v řízení a směrování kvantových informací,“ říká profesor Otto Muskens, vedoucí Nanophotonics Integrated Group. Jedním z hlavních cílů výzkumu fotoniky je překlenout propast mezi fotonikou a elektronikou a překlenout přechod mezi těmito dvěma poli a nakonec překonat omezení tradiční elektroniky. Tento pokrok by mohl být klíčem k umožnění plně fotonických integrovaných obvodů (PIC), ale tato potenciální náhrada za současné technologie bude pravděpodobně trvat roky, než uvidíme skok vpřed ve fotonických výpočtech.