Молодой физик Питерской Вышки разработал уникальные фотонные интегральные схемы
Исследователь Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург создал интегральную оптопару на основе квантовых точек, которая поможет заменить электрические соединения в вычислительной технике на световые сигналы. Разработка открывает новые возможности для создания суперкомпьютера нового поколения.
Никита Фоминых работает в Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург с 2021 года. Сфера его научных интересов — полупроводниковые наноструктуры и оптоэлектронные приборы на их основе. Путь молодого физика к защите кандидатской диссертации начался с изучения спектральных, пороговых и мощностных характеристик полупроводниковых микродисковых лазеров с активной областью на основе InGaAs/GaAs квантовых точек. В продолжение темы он исследовал вывод излучения таких микролазеров в планарные волноводы. Параллельно ученый изучал светочувствительные элементы (фотодетекторы) — устройства, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Все исследованные приборы — микродисковые лазеры, волноводы, фотодетекторы — имеют одинаковую активную область и могут быть изготовлены из одной гетероструктуры, что делает их основой для нового поколения сверхбыстрых фотонных приборов. Итоги работы стали основой для его кандидатской диссертации по специальности «Физика полупроводников».
«В настоящее время требуется все более быстрая передача огромных объемов данных на микрочипе. Традиционные электрические соединения уже не справляются с такими нагрузками: они греются и сравнительно медленно работают, а уменьшение их размеров связано с большим количеством технологических трудностей, — объясняет Никита Фоминых. — Оптическая связь, то есть передача информации с помощью световых сигналов, может позволить решить эти проблемы. Оптоволоконные кабели уже связывают города и континенты, передавая данные на расстояния от сотен метров до десятков тысяч километров. Но следующий шаг — передача данных внутри микросхем. Для этого нужно создать фотонные интегральные схемы, которые работают со светом вместо электричества. Такие устройства смогут революционизировать технику, сделав ее в разы меньше, быстрее и энергоэффективнее».
На защите кандидатской диссертации Никита Фоминых представил созданную им интегральную оптопару — миниатюрную систему для передачи информации с помощью света. Она состоит из микродискового лазера (источник света размером в несколько десятков микрометров), соединенного через планарный волновод со светочувствительным фотодетектором.
«Для использования микролазеров в оптических схемах нам нужен направленный вывод излучения. Круглая форма микродиска создает здесь серьезные трудности. Мы предложили решение: использовать планарные интегральные волноводы — микроскопические световоды, которые направляют излучение лазера в нужном направлении. Особенно важно, что такие волноводы можно изготавливать из того же материала и по той же технологии, что и сами микродисковые лазеры. Это не только упрощает производственный процесс, но и дает уникальную возможность: мы можем расположить лазер и волновод на расстоянии всего в несколько сотен нанометров друг от друга — это в тысячи раз тоньше человеческого волоса», — рассказывает физик Питерской Вышки.
Наталья Крыжановская
По словам научного руководителя Никиты Фоминых и заведующего лабораторией Натальи Крыжановской, успешная защита кандидатской по физике подтверждает масштаб и модель подготовки исследователей в Питерской Вышке: «Как научный руководитель, я сопровождала его на всех этапах: от формулировки исследовательских вопросов и проектирования экспериментов до публикаций и подготовки к защите, помогая выстроить логическую ось работы и доказательную базу.
Важно и то, что этим летом лаборатория переехала на Канатный цех и расширила инфраструктуру — теперь это напрямую ускоряет цикл (от моделирования до измерения). Для ШИФТа это не только индивидуальный успех, но и вклад в формирование собственной научной школы по квантовой оптоэлектронике и фотонике, где студенты и аспиранты видят понятную траекторию и реальные карьерные перспективы в науке».
Благодаря современному оборудованию в Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники активно изучают ключевые характеристики микролазеров — пороговые, мощностные, температурные, спектральные и высокочастотные параметры. Ученые также проводят комплексный анализ спектральных, электрических и высокочастотных свойств фотодетекторов. Сочетание современного оборудования и высокой квалификации сотрудников позволяет получать передовые научные результаты и публиковаться в ведущих мировых изданиях. Так, исследования Никиты Фоминых выходили в Journal of Applied Physics, IEEE Journal of Quantum Electronics, «Физика и техника полупроводников» и других.
В лаборатории активно развивается культура наставничества: специалисты проводят регулярные семинары, экспериментальные итерации, а также взаимную экспертизу внутри подразделения. Ежегодно проходит набор молодых сотрудников из студентов бакалавриата и магистратуры НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург. Ведется прием в аспирантуру Питерской Вышки по направлению «Физика».
«Поддержка коллег, взаимопонимание и открытая научная среда помогли мне сфокусироваться именно на разработке оптоэлектронных микрокомпонентов для фотонных интегральных схем и завершить важный этап в моей академической карьере», — заключил Никита Фоминых.
В планах молодого ученого — продолжить начатые исследования, а также подать заявку на грант для дальнейших разработок фотодетекторов на квантовых точках.