Ученые разработали оптический коммутатор на основе кремния, которому почти не нужна энергия для работы. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology. Новое устройство управляет светом с помощью материала с фазовым переходом и нагревателя из графена. Тонкий слой из атомов углерода снижает энергопотери в 70 раз по сравнению с популярными устройствами на основе легированного кремния.

Традиционные кремниевые фотонные переключатели настраиваются с помощью теплового эффекта. Под воздействием тепла оптические свойства материала переключателя изменяются, тем самым изменяя путь света. Как правило, для выделения тепла в таких устройствах через металл или полупроводник пропускают электрический ток. Такая технология требует огромных затрат энергии, отмечают авторы работы.

В своей работе ученые использовали нелетучий материал с фазовым переходом. Такой материал трансформируется при кратковременном нагревании и остается в этом состоянии до тех пор, пока не получит еще один тепловой импульс, после чего он возвращается в исходное состояние. Это избавляет от необходимости поддерживать напряжение для сохранения нужной формы. Кроме того, разработчики использовали нелегированный кремний толщиной 220 нм для распространения света и ввели слой графена между кремнием и материалом с фазовым переходом для проведения электричества. Эта конструкция устраняет потери энергии, направляя все тепло, выделяемое графеном, на изменение материала с фазовым переходом.

Художественное изображение коммутатора. Управление светом осуществляется с помощью материала с фазовым переходом (синий сегмент), нагреваемого графеном. Изображение: Zhuoran (Roger) Fang, University of Washington

Результаты исследования показали, что плотность энергии переключения этой установки составляет всего 8,7 аДж/нм³. Это примерно в 70 раз меньше, чем требуется распространенным устройствам, в которых для нагревания материала используется легированный кремний.

По сравнению с тем, что в настоящее время используется в центрах обработки данных для управления фотонными цепями, эта технология значительно сократит потребности центров обработки данных в энергии, сделав их более устойчивыми и безвредными для окружающей среды, – Арка Маджумдар, исследователь из Университета Вашингтона и соавтор работы.

Центры обработки данных — неотъемлемая часть современной реальности. Они потребляют огромное количество энергии, передавая данные между серверами внутри центра. Один из способов снижения затрат электричества: использование света для передачи информации с помощью оптических переключателей с электрическим управлением, контролирующих поток света.