Российские физики нашли способ сжимать свет в фотонных чипах в 10 раз сильнее

Российские физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали теоретическую модель нового типа волновода для фотонных чипов, который позволяет сжимать свет в канале размером всего 30 нанометров — это в 10 раз меньше, чем у традиционных плазмонных структур на основе золота. Такие устройства способны передавать сигнал на телекоммуникационной длине волны 1550 нанометров, сохраняя его на расстоянии около 13,7 микрометра, что делает их пригодными для создания миниатюрных оптических переключателей, интерферометров и датчиков. Однако новый подход имеет ограничения: волновод эффективен только при небольших углах изгиба (до 10 градусов) и в инфракрасном диапазоне, что сужает сферу его применения в видимом спектре света.

Проблема миниатюризации фотонных схем долгое время остаётся одной из ключевых в оптической инженерии. Классические диэлектрические волноводы не могут удерживать свет в области меньше его длины волны из-за дифракционного предела, а плазмонные структуры на основе благородных металлов, таких как золото, страдают от высоких потерь энергии. Чтобы обойти эти ограничения, исследователи обратили внимание на вандерваальсовы материалы — класс двумерных соединений, свойства которых зависят от направления. Оксихлорид молибдена (MoOCl₂) оказался подходящим кандидатом благодаря своей анизотропии: в одном направлении он ведёт себя как металл, а в другом — как диэлектрик, что позволяет формировать гиперболические плазмон-поляритоны — гибридные состояния света и материи, способные локализовать излучение в масштабах меньше длины волны.

Для создания волновода учёные предложили использовать V-образные каналы в тонком слое MoOCl₂. Такая геометрия, по их расчётам, минимизирует рассеивание сигнала на неровностях стенок, что критично для передачи света без потерь. В отличие от полосковых волноводов, где края создают сильное рассеивание, канавки с плавными профилями меньше влияют на распространение моды. Исследователи также спроектировали интерферометр Маха—Цендера на основе нового волновода — устройство, которое может использоваться как оптический переключатель или датчик. Его работа основана на разделении и последующем объединении световых лучей, что позволяет модулировать сигнал в зависимости от фазы излучения.

Разработка пока существует только в виде численной модели, но её перспективы впечатляют: ширина нового волновода составляет всего 30 нанометров, а его вертикальный размер — менее 1,5 нанометра, что в 25 раз меньше аналогичных параметров золотых структур. Однако у этой технологии есть и недостатки. Из-за ограниченной длины распространения сигнала (13,7 микрометра) и узкого рабочего диапазона (1260–1625 нанометров) такие устройства пока не подходят для резких изгибов и применения в видимом спектре. Тем не менее, учёные видят потенциал в создании сверхминиатюрных биохимических сенсоров, где локализация поля позволяет фиксировать изменения показателя преломления среды.

Следующим шагом для исследователей станет изготовление прототипа методом нанолитографии и тестирование его оптических характеристик. Они также планируют адаптировать технологию для других вандерваальсовых материалов и проработать возможность электрического управления оптическим сигналом в интерферометре. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и международной коллаборации, включающей учёных из Испании, ОАЭ и Москвы. Результаты опубликованы в журнале Photonics.