Энергопотребление компьютеров постоянно растет и, как прогнозируется, превысит мировую выработку энергии к 2040 году. Использование фотонов света вместо электричества для передачи данных может значительно снизить энергопотребление чипов. Этим занимается кремниевая фотоника — она создает оптические устройства на основе кремния, совместимые с кремниевой электроникой. Но кремниевая фотоника основана на других физических механизмах, нежели оптоэлектроника.

В устройстве современных компьютерных сетей, спутников и других средств связи на основе оптоэлектроники используют так называемые нелинейности второго порядка. Это математический параметр, который присутствует в функции зависимости поляризованности объекта от напряженности электрического поля. Он делает оптический сигнал более эффективным и надежным. Нелинейности второго порядка связаны с многоволновым смешением — эффектом, который ведет к помехам и искажениям сигнала при его передаче. Поэтому нелинейности используют в модуляторах — устройствах для изменения характеристик сигнала (фазы, частоты или амплитуды), для его передачи от передатчика к приемнику без помех и наложения на другие сигналы.

Ученые из MIT предложили способ введения нелинейностей второго порядка в кремний и впервые реализовали его на практике.

Кремний в силу симметричной структуры своих кристаллов — среда, одинаковая по всем направлениям и имеющая центр симметрии. В нем нелинейность второго порядка отсутствует. Поэтому в данном случае ее ввели искусственно за счет приложения к кристаллу большого электрического поля. Это привело к изменению строения кристалла: атомы в нем словно расшатываются и меняют места положения. Следовательно, центр симметрии перестает существовать. В свою очередь, это приводит к нелинейности зависимости отклика среды кремния на внешнее приложенное поле, на чем и основано действие модулятора.

Существующие кремниевые модуляторы легированы различными атомными примесями для создания так называемого p-i-n-перехода. Изменение напряжения на модуляторе попеременно концентрирует и рассеивает свободные носители заряда в волноводе для модуляции оптического сигнала, проходящего через этот волновод.

В устройстве исследователей из MIT при подаче напряжения свободные носители не собираются в центре устройства — они собираются на границе между n-типом (областью кремния, где носителями заряда являются электроны, от negative — отрицательный) и нелегированным кремнием. Положительный заряд накапливается на границе с кремнием р-типа (область кремния, где носителями заряда являются дырки, положительные аналоги электронов, от positive — положительный), создавая электрическое поле, модулирующее оптический сигнал.

Модуляторы на основе новой схемы имеют преимущества. В обычных модуляторах носители заряда при путешествии по волноводу могут поглощать фотоны из внешней среды, за счет чего оптический сигнал может меняться. Модуляторы на основе новой схемы избавлены от такой проблемы, так как носители не двигаются через весь волновод, а накапливаются на границах.

Ученые создали два прототипа — модулятор, который кодирует данные на оптическом луче, и удвоитель частоты — необходимый компонент для создания лазеров, которые могут быть точно настроенными на диапазон различных частот. Также исследователи предполагают, что их устройство будет работать быстрее, чем обычный модулятор.

Авторы статьи предполагают, что введение нелинейности второго порядка в кремнии приведет к созданию нового класса интегральных схем, применяющихся в спектроскопии и квантовой радиофизике, в частности в лазерах.