Российские исследователи разработали уникальную платформу для светодиодов, функционирующую на основе лазера, а не электрического тока.
Источник: Freepik
Эта технология обеспечивает переключение устройств всего за 10 наносекунд — в 100 тысяч раз быстрее доступных решений — и позволяет быстро «рисовать» и изменять схемы свечения без сложного производства. Разработка может стать основой для сверхбыстрых источников излучения для дисплеев, датчиков и систем передачи данных. Также эта технология приблизит ученых к созданию оптического компьютера.
Как ученые увеличили скорость переключения светодиодов
Исследователи Нового физтеха ИТМО совместно с лабораторией «Материалы и устройства активной фотоники» Национального исследовательского университета «МИЭТ» и Институтом общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН разработали полностью оптически переключаемую платформу для светодиодов. Эти устройства применяются в различных приборах — таких как дисплеи смартфонов, оптические сенсоры, датчики, лазеры и системы оптоволоконной связи.
Однако светодиоды на основе традиционных полупроводников переключаются между состояниями «включен-выключен» за счет электрического тока. Этот процесс занимает несколько миллисекунд, что недостаточно для проведения оптических исследований и разработки сверхбыстрых оптических устройств, пояснили специалисты.
Справка
Ускорить переключение возможно с помощью более перспективных материалов с фазовым переходом. К таким материалам относятся халькогениды — соединения элементов 16-й группы периодической таблицы (таких как сера, селен или теллур) с металлами. Они сыграли важную роль в истории хранения данных, например, в дисках формата DVD, благодаря способности менять структуру под воздействием лазера. Это свойство позволяет использовать халькогениды в перезаписываемых оптических дисках, таких как DVD-RW.
Халькогенидные соединения сложно интегрировать в архитектуру светодиода — их кристаллическая структура содержит множество дефектов, через которые «утекает» излучение, в результате чего устройство становится более тусклым. Исследователям ИТМО удалось преодолеть это ограничение и интегрировать халькогенидный сплав с фазовым переходом в структуру светодиода.
Созданная платформа позволяет светодиоду переключаться между состояниями «включен-выключен» за 10 наносекунд — это в 100 тысяч раз быстрее существующих решений на основе электричества. В ее основе лежит халькогенидный сплав германия, сурьмы и теллура.
Принцип работы устройства следующий: при воздействии лазерного излучения на платформу халькогенидный сплав переходит в кристаллическую фазу, благодаря чему светодиод включается. При повторном облучении и переводе материала в аморфное состояние светодиод не включается даже при подаче напряжения. Таким образом, на светодиод постоянно подается напряжение, а его включение и выключение осуществляется за счет лазерных импульсов — это значительно быстрее электрических сигналов.
— Наш подход позволяет добиться ультрабыстрого изменения состояния светодиода при постоянном напряжении в системе, что приводит к увеличению скорости срабатывания, а также повышает стабильность и срок службы устройства, — объяснила первый автор исследования, инженер Нового физтеха ИТМО Ольга Кущенко.
Новая платформа также упрощает производство устройств — теперь для создания схем токопроводящих дорожек достаточно одного лазера, что делает процесс похожим на раскрашивание рисунка.
— Для создания узора свечения нужно лишь направить лазер на конкретную точку халькогенидного слоя: только этот участок перейдет в кристаллическую фазу, и именно там светодиод загорится при подаче напряжения. Перемещая лазер по выбранным зонам, можно «нарисовать» любую схему свечения светодиода, поэтому данный процесс напоминает раскрашивание. Причем халькогенидный сплав — это энергонезависимый материал, то есть освещенное лазером место останется в той же фазе, даже если убрать источник излучения, — рассказал руководитель исследования, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Артем Синельник.
Оптические компьютеры и сверхбыстрая электроника
Созданная платформа будет способствовать разработке оптически переключаемых светодиодов, которые станут сверхбыстрыми источниками излучения для дисплеев, датчиков или систем кодирования и передачи информации, например потенциальных оптических компьютеров.
— Основная область применения такой платформы — это оптоэлектронные схемы и устройства, где требуется мгновенное управление светом. Например, они могут стать основой для сверхбыстрого оптического переключателя в системах кодирования информации, необходимых для нового поколения оптических вычислений и высокоскоростной передачи данных. Их быстродействие, измеряемое наносекундами, критически важно для этих технологических направлений, где скорости должны значительно превосходить человеческое восприятие, — отметил Артем Синельник.
Кроме того, такие материалы являются перспективными для создания высокочувствительных и быстродействующих датчиков, где ключевое значение имеют мгновенная реакция на внешний стимул и фиксация перехода из одного состояния в другое. В сегменте дисплеев их непосредственное применение для увеличения скорости смены изображения для человеческого глаза не является актуальным, поскольку человек не воспринимает задержки в наносекундах.
— Однако такие технологии в будущем могут найти нишевое применение — например, в специализированных устройствах для сверхскоростной проекции или модуляции света, востребованных в научном и промышленном оборудовании, а не в массовых потребительских гаджетах, — отметил ученый.
Это довольно интересная и перспективная работа, в которой авторы разработали новую платформу для управления электролюминесценцией с помощью света, рассказал «Известиям» замдиректора института «Перспективных материалов и технологий», начальник лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» НИУ МИЭТ, эксперт Центра НТИ «Сенсорика» НИУ МИЭТ Петр Лазаренко.
— В перспективе разработка может быть использована для сверхбыстрого управления лазерными диодами — это одно из наиболее актуальных направлений сегодня, включая задачи интегральной фотоники, — отметил ученый.
Это не просто эволюция существующих светодиодов, а создание принципиально нового класса оптически управляемых устройств, подчеркнул эксперт НТИ, заведующий лабораторией интегральной фотоники ПГНИУ Роман Пономарев.
— В ближайшие 5–10 лет мы, вероятно, увидим их внедрение в первую очередь в нишевые высокопроизводительные приложения (оптические акселераторы, лидары), а в более отдаленной перспективе — и в массовую электронику, что приведет к существенным изменениям архитектуры вычислительных систем в случае преодоления барьера по числу циклов переключения такой управляющей ячейки, — отметил специалист.
На данном этапе ученые продолжают работать над платформой — они повышают стабильность и продолжительность ее работы, а также эффективность люминесценции.
Фото: hi-tech.mail.ru
