Ученые НИТУ МИСИС совместно с коллегами представили сверхбыстрый интегрально-оптический детектор, который можно адаптировать под различные задачи — от телекоммуникаций и тепловизоров до медицинских биосенсоров, систем безопасности и астрономических приборов.
Устройство обнаруживает слабые инфракрасные сигналы в интегрально-оптическом чипе в 100 миллионов раз быстрее аналогов и обновляет данные свыше миллиарда раз в секунду, благодаря чему оно — одно из самых быстрых в своем классе.
Фотонные интегральные схемы — микрочипы, в которых одной из важнейших задач является преобразование оптического излучения в электрические сигналы, таким образом, создание недорогих, быстрых и точных детекторов является приоритетным направлением. Для решения такой задачи исследователи НИТУ МИСИС в сотрудничестве с коллегами из НИУ ВШЭ, Сколтеха и МПГУ создали интегрально-оптический тепловой приемник излучения – болометр – на основе пленок из углеродных нанотрубок.
«Частотный диапазон работы болометра указывает на скорость отслеживания нагрева пленки, который вызван поглощением инфракрасного излучения. Новый детектор оперирует на частоте 1 ГГц, что превосходит аналогичные устройства на нанотрубках, продемонстрированные ранее, почти в 100 миллионов раз и может обеспечивать высокую скорость обработки данных в фотонной интегральной схеме нитрида кремния. Разработанная нами технология покрытия фотонных чипов нанотрубками позволяет решить одну из главных проблем интегрально-оптических схем – создавать недорогие и компактные детекторы на оптических волноводах», — поделился кандидат физико-математических наук Вадим Ковалюк, заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.
Современные болометры обычно изготавливаются с применением сложных и многоэтапных технологий, таких как химическое осаждение из газовой фазы или с помощью выращивания кристаллов. Значительно упрощают производство пленки из одностенных углеродных нанотрубок: с помощью метода сухого переноса ими можно покрывать поверхности без использования жидкостей или дорогостоящих химикатов аккуратно и равномерно.
Пленки сцепляются практически с любыми материалами, включая гибкие и прозрачные подложки для смартфонов, переносных датчиков или приборов для анализа окружающей среды. Контролируя параметры роста углеродных нанотрубок, можно менять состав покрытия. Например, для усиления электрического согласования с приемной схемой или улучшения поглощения электромагнитных волн определенной длины.
«В нашем исследовании, мы отталкивались от хорошо известного уравнения теплового баланса, которое определяет работу болометров, и показывающее, что для одного и того же материала пленки болометра, отношение чувствительности и предельной скорости работы устройства, есть постоянная величина. Иными словами, повышая чувствительность детектора, неизбежно во столько же раз происходит падение его скорости детектирования.
Применение недорогих полупроводниковых усилителей, позволило нам компенсировать падение чувствительности, при этом существенно повысить быстродействие фотоприемника. Кроме того, метод сухого переноса углеродной пленки на оптические волноводы из нитрида кремния создал условия для высокоэффективного сопряжения, обеспечив практически полное поглощение света при компактном дизайне», — рассказал научный сотрудник лаборатории квантовых детекторов МПГУ Павел Ан.
Быстродействие нового болометра обеспечивается уникальными свойствами углеродных нанотрубок: высокой электро- и теплопроводностью одновременно с низкой теплоемкостью. Полученные результаты открывают многообещающую перспективу использования болометров на основе пленок углеродных нанотрубок для быстрой обработки данных, создания полностью оптических нейросетей и сопроцессоров на основе фотонных интегральных схем в микроэлектронике или телекоммуникациях. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Applied Physics Letters (Q1).
Работа выполнена при поддержке грантов Российского научного фонда и Минобрнауки России.