Нанофотоника и оптика

Наши исследования и разработки в области нанофотоники и оптики нацелены на создание фотонных устройств с уникальными характеристиками или совершенно новыми функциональными возможностями. В этих устройствах эффекты концентрации и управления полями, обусловленные новыми оптическими явлениями, реализуют механизмы управления взаимодействием света с веществом. Это открывает перспективные горизонты научно-практических разработок широкого спектра фотонных устройств от ультрапроизводительных вычислений, защищенных средств связи, управляемых материалов и высоко эффективных солнечных батарей, до персональных средств индивидуального мониторинга в реальном времени показателей жизнедеятельности человека, способных детектировать ультрамалые концентрации и химический состав биологических объектов.

В ФМН мы разрабатываем и используем КМОП-совместимые микро и нанотехнологии для создания инновационных подходов и методологий управления светом и оптической детекции на микро и наноуровне. Для реализации этих подходов, наряду с классическими микротехнологиями мы разрабатываем новые оптоэлектромеханические, магнитооптические и оптофлюидные методы управления электромагнитными волнами, взаимодействия света с веществом и наноструктурами, контроля малых перемещений и ускорений. Мы применяем эти возможности и новейшие разработки для создания уникальных интегрированных систем в области:
  • элементной базы на новых физических принципах (малоразмерные источники когерентного излучения, высокоскоростные оптоэлектронные преобразователи и др.);
  • систем высокоскоростной передачи данных;
  • интегральной оптики;
  • дифракционных и голографических оптических систем;
  • адаптивных оптических систем;
  • инерциальных, температурных и акустических сенсоров;
  • однофотонных детекторов;
  • интегрируемых оптических сенсоров биологических объектов для микрофлюидных лабораторий-на-чипе.

Наша команда использует сочетание теории, моделирования, технологии и эксперимента для внедрения практических разработок на базе уникальных свойств создаваемых наноструктур и наноматериалов.

Нанофотоника изучает «поведение» света в нанометровых масштабах и взаимодействие света с нанометровыми объектами, и, помимо классических диэлектрических устройств, обычно включает металлические компоненты, которые позволяют передавать и фокусировать свет. Данную область нанофотоники обычно называют плазмоникой. В плазмонных устройствах используются электромагнитные осцилляции (волны), известные как поверхностные плазмон поляритоны (или поверхностные плазмоны, ПП), которые распространяются на границе металл-диэлектрик при возбуждении внешним источником света.

Возбуждение поверхностного плазмона

Плазмонные оптические явления активно исследуются последние годы благодаря их свойству фокусировать свет и усиливать оптические поля вблизи прецизионно спроектированных и изготовленных нанообъектов. Это дает возможность искать принципиально новые технические решения, которые могут позволить объединить в одном устройстве высокую производительность и ультравысокую степень интеграции, характерные для фотоники и микроэлектроники соответственно.

Plasmonics Photonics
Microelectronics

Посредством специальных наноструктур эти поверхностные волны могут быть сконцентрированы в нанометровых масштабах (менее длины волны), позволяя, например, существенно усилить взаимодействие света с веществом на поверхности или интегрировать фотонные и электронные элементы в одном устройстве с нанометровыми размерами. Наши исследования в области плазмоники направлены на выявление физических принципов взаимодействия света с наноструктурами, развитие технологии формирования плазмонных структур и методов управления поверхностными плазмонами для создания нового класса оптоэлектронных устройств.

Широкому практическому применению плазмонных устройств препятствует ряд физических и технологических ограничений. Основным физическим ограничением являются большие омические потери в металлах, которые приводят к стремительному затуханию поверхностных плазмонов, что губительно сказывается на работоспособности плазмонных устройств. Для снижения потерь в пассивных плазмонных системах в ФМН мы разрабатываем новые материалы и конструкции устройств, а также технологические методы формирования структурно совершенных материалов (эпитаксиальные плёнок толщиной менее 50нм с шероховатостью поверхности менее 1нм) и структур на их основе. В активных плазмонных системах – технологии компенсации потерь посредством введения усиливающих сред (квантовые точки, красители), которые обеспечивают «энергетическую подпитку» поверхностных плазмонов на пути их распространения.

Основным технологическим ограничением является воспроизводимая технология формирования суб-100нм топологических элементов, зачатую (для практических применений) на больших площадях, что радикально усложняет реализацию из-за высоких требований к допускам на изготовление плазмонных структур. Дополнительным негативным фактором (при использовании стандартной технологии изготовления многослойных полупроводниковых устройств «снизу-вверх») является возможная деградация структурно-совершенных материалов (уже созданных на первых этапах изготовления) при проведении технологических процессов формирования конструкции устройств (литография, травление и т.п.). В ФМН разработан ряд базовых технологических процессов, совместимых с технологиями массового изготовления (электронно-лучевая литография, плазмохимическое травление и т.п.), которые позволяют создавать устройства с суб-100нм топологическими элементами и площадью стандартного кристалла современного процессора. При изготовлении таких устройств обеспечиваются нанометровые допуска на размеры плазмонных элементов.

В области плазмоники основными направлениями исследований и разработок в ФМН являются плазмонные волноводы и системы высокоскоростной передачи данных на их основе, высокоскоростные оптоэлектронные преобразователи, плазмонные источники когерентного света и плазмонные сенсоры. Особый интерес для нас представляют интегральные фотонно-плазмонные системы, в которых уникальные характеристики фотонных приборов достигаются посредством их изготовления в едином технологическом цикле с плазмонными элементами, обеспечивая прецизионную точность их взаимодействия.

Плазмонные волноводы с элементами ввода-вывода сигнала могут быть использованы в высоконагруженных вычислительных системах в качестве промежуточного звена между оптическими линиями передачи информации (оптоволоконные кабели) и вычислительным ядром (интегральные схемы процессоров), ускорения межпроцессорной передачи информации в системах-в-корпусе, а также внутрипроцессорной передачи данных. В зависимости от назначения и требуемой дальности передачи (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) могут быть использованы как пассивные, так и активные плазмонные волноводы.

Waveguide simulation Плазмонные волноводы Плазмонные волноводы
Плазмонные волноводы Плазмонные волноводы Плазмонные волноводы
Применение плазмонных волноводов может позволить значительно уменьшить размеры фотонной части схем, которые имеют дифракционные ограничения, и существенно сократить потребление энергии активных компонент. ФМН ведет разработку технологических процессов изготовления плазмонных волноводов различных конструкций, систем ввода-вывода излучения, коммутационных элементов, а также системы высокоскоростной передачи данных на их основе.

Для создания плазмонных источников когерентного света или спазеров (spaser), т.н. плазмонных аналогов лазеров, мы исследуем различные типы резонаторных наноструктур, изготавливаемых на площадях в сотни микрон с точностью в единицы нанометров.

Плазмонные источники Плазмонные источники
Плазмонные источники Плазмонные источники
В зависимости от конструкции подобные резонаторные наноструктуры могут привести нас к разработке универсальных наноразмерных источников фотонов, плазмонов или электромагнитных полей. Помимо практических приложений исследование спазерных структур может позволить понять и объяснить фундаментальные физические основы и ограничения оптики нанометровых масштабов.

Для формирования устройств нанофотоники в ФМН мы применяем передовые КМОП-совместимые микро и нанотехнологии, предлагая и разрабатывая новые подходы с использованием самого современного технологического и метрологического оборудования.

Спазерные структуры Спазерные структуры Спазерные структуры Спазерные структуры Спазерные структуры
Спазерные структуры

Одним из ключевых элементов технологии в ФМН является нанолитография в сочетании с технологическими процессами изготовления устройств нанофотоники полного цикла. Принимая колоссальное ускорение темпа современных разработок, сложность экспериментальных работ и актуальную необходимость уменьшения размеров устройств нанофотоники, мы непрерывно совершенствуем технологические процессы электронно-лучевой литографии НОЦ ФМН для обеспечения возможности изготовления завтрашних суб-10нм устройств уже сегодня.

Нанофотоника Нанофотоника
Нанофотоника Нанофотоника


Другие направления
Последние события ФМН
В НОЦ ФМН созданы сверхпроводниковые кубиты-трансмоны мирового  уровня с временем когерентности в 50 микросекунд
В НОЦ ФМНС созданы сверхпроводниковые кубиты‑трансмоны мирового уровня с временем когерентности в 50 микросекунд
Инженеры и ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» ГК «Росатом» на базе совместного НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН), в кооперации с учеными ИФТТ РАН, МИСиС, МФТИ, РКЦ и НГТУ, разработали технологию создания сверхпроводниковых кубитов со «временем жизни» на уровне 50 микросекунд. Полученные результаты не уступают параметрам квантовых процессоров лучших мировых аналогов от IBM, Google, Intel. Это важнейший шаг на пути к созданию российского универсального квантового компьютера. Ключевые игроки зарождающегося рынка квантовых вычислений выбрали в качестве технологической платформы именно сверхпроводниковые кубиты.
Визит делегации концерна Carl Zeiss и холдинга ОПТЭК
Визит делегации концерна Carl Zeiss и холдинга ОПТЭК
3 ноября прошла встреча с руководством концерна Carl Zeiss и холдинга ОПТЭК. В составе делегации - T. Spitzepfeil – член совета правления концерна, U. Hoffmann – член совета правления концерна, M. Hubensack – президент Zeiss Meditec, J. Novoa – руководитель развития сети региональных партнеров Carl Zeiss Microscopy, G. Bauhammer – менеджер по развитию бизнеса Carl Zeiss Microscopy в РФ, О. Середкина – генеральный директор ООО «ОПТЭК», М. Игельник – управляющий холдинга OPTEC Group, Николас фон Корфф – финансовый директор холдинга OPTEC Group, В. Власенко – директор департамента научного и промышленного материаловедения ООО ОПТЭК, А. Ульяненков – директор департамента междисциплинарных проектов.
Отмечаем год эффективного сотрудничества компании «Маппер» и НОЦ ФМН
Отмечаем год эффективного сотрудничества с компанией «Маппер»
Сложившееся взаимодействие является взаимным – за прошедший год эффективного сотрудничества организации неоднократно «обменялись» заказами на изготовление уникальных изделий и технологических операций...