Учёные из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из НИУ «МИЭТ» и других организаций научились ускорять работу компонентов, которые управляют поляризацией света в оптической связи и вычислениях. Поляризация — свойство света, позволяющее «упаковать» в сигнал дополнительную информацию и тем самым увеличить пропускную способность каналов передачи данных. Учёные предложили управлять состоянием поляризации при помощи фазового состояния материала, через который проходит свет. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Light: Advanced Manufacturing.
«Управление поляризацией — весьма привлекательный способ „упаковать“ больше данных в практически тот же самый световой сигнал. Мы показали, что наш поляризатор площадью меньше сотой доли квадратного сантиметра способен управлять поляризацией проходящего через него света за счёт переключения материала, называемого GST, между упорядоченным кристаллическим и неупорядоченным аморфным состояниями», — пояснил доцент Сергей Дьяков, руководитель исследования и научной группы в Центре инженерной физики Сколтеха.
Соединение германия, сурьмы и теллура под названием GST уже применяется в перезаписываемых дисках Blu-ray и DVD: лазер переводит материал в каждой ячейке памяти в кристаллическое или аморфное состояние, тем самым записывая информацию. В представленном научной группой прототипе GST образует решётку, проходя через которую свет приобретает один из двух видов поляризации. Какой именно — зависит от того, в каком состоянии находится материал в данный момент. А переключается это состояние с помощью нагрева.
«Эта работа обосновывает принципиальную возможность подхода. Мы намеренно использовали два медленных, но „чистых“ метода переключения — отжиг в печи и лазерное сканирование, — поскольку наша цель состояла в том, чтобы измерить максимально достижимый оптический контраст, а не скорость переключения, — рассказал соавтор исследования Илья Фрадкин, научный сотрудник Центра инженерных систем и наук Сколтеха. — Естественный следующий шаг — поместить под полученную метаповерхность из GST тонкоплёночный прозрачный микронагреватель из оксида индия-олова или другого материала. Это хорошо отработанный подход, который уже достигает переключения устройств на основе GST за время менее одной микросекунды, чего достаточно для многих приложений. Дальнейшие шаги тоже ясны: оптимизация состава материала с фазовым переходом и продуманная подача и отвод тепла могут ускорить фазовый переход и расширить круг практических применений».
Предложенный прототип — это первый поляризатор на основе GST. Ранее в качестве материала с фазовым переходом зачастую использовался диоксид ванадия. Эти два материала сопоставимы по коэффициенту гашения — этот ключевой для таких устройств показатель отражает, насколько хорошо материал пропускает свет одной поляризации, одновременно подавляя свет другой. Однако у диоксида ванадия есть существенный недостаток: хотя он способен сколь угодно долго сохранять аморфную структуру при температуре ниже 65 градусов Цельсия, кристаллическая форма существует только при превышении этой температуры. Это значит, что для поддержания одного из двух состояний требуется непрерывный нагрев, что расходует энергию и едва ли реализуемо в реальных устройствах. GST в этом отношении выгодно отличается: в одно состояние он переключается быстрым нагревом, в другое — несколько более медленным, но дальше любая из двух структур сохраняется.
Соавтор исследования, ведущий научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха Денис Жигунов добавил: «У GST нет этого важного недостатка и в то же время есть общее с реализацией поляризатора на диоксиде ванадия преимущество: материал работает как поляризатор и в аморфном, и в кристаллическом состоянии. Каждому состоянию соответствует своя поляризация. Так что наш прототип фактически объединяет в одном устройстве два. Другие же материалы поляризуют свет только в одном из двух состояний, а в другом утрачивают поляризующие свойства».
Учёные надеются, что после дальнейших доработок прототип превзойдёт по характеристикам существующие решения на основе механического вращения и найдёт применение в оптических схемах — возможно, в качестве элемента в составе трансивера, преобразующего электрические сигналы в оптические, в которых поляризация будет нести дополнительную информацию. Такие трансиверы нужны в высокоскоростной оптической связи и вычислениях.
