Физики МФТИ нашли способ делать миниатюрные оптические провода для будущих фотонных чипов
Российские ученые предложили новый способ изготавливать сверхтонкие волноводы — своего рода оптические провода, которые направляют свет внутри фотонных микросхем. Работа выполнена в Центре фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета, Физтеха имени Иоффе, Российского квантового центра, университета ИТМО и Центра исследований передовых технологий в ОАЭ.
В обычных микросхемах ток идет по проводникам, а в фотонных чипах вместо электричества используется свет, и для него тоже нужны свои «провода» — волноводы. Чем они тоньше, тем больше оптических элементов можно уместить на одном чипе.
Но с миниатюризацией у фотоники есть проблема, которой нет в электронике: материал должен одновременно хорошо удерживать свет внутри узкого канала и не поглощать его. Кремний, например, отлично держит свет, но плохо пропускает видимый диапазон, а обычное стекло прозрачно, зато плохо удерживает излучение в тонком канале, из-за чего приходится делать элементы крупнее.
Ученые взяли материал с более удачным сочетанием свойств — трисульфид галлия-индия (GaInS₃). У него высокий показатель преломления и хорошая прозрачность в видимом свете.
Проблема оказалась в другом: этот материал ведет себя по-разному в зависимости от направления, в котором его обрабатывают, — в одну сторону кристалл режется ровно, в другую — крошится и получается неровный край. Обычный подход к нанолитографии этого не учитывает, из-за чего часть готовых элементов оказывалась бракованной.
Чтобы решить эту проблему, исследователи придумали простой прием: перед тем как вырезать сам волновод, они процарапывают на кристалле несколько пробных линий под разными углами — получается рисунок, похожий на розу ветров. По этим линиям сразу видно, в каком направлении материал режется чисто, а в каком крошится. После этого нужное направление выбирают уже для изготовления рабочего устройства. Резку проводят иглой атомно-силового микроскопа — она физически процарапывает канавки на поверхности кристалла.
С помощью такого метода команда изготовила волноводы толщиной до 70 нанометров с неровностью боковых стенок менее 10 нанометров, и свет по ним действительно распространялся — в диапазоне длин волн от 505 до 630 нанометров.
Для сравнения ученые попробовали вырезать такие же структуры сфокусированным ионным пучком — более распространенным методом. Геометрически детали получились аккуратными, но свет по ним не проходил: ионы разрушали кристаллическую решетку материала, и в ней появлялись дефекты, которые гасили излучение.
Миниатюризация фотонных компонентов — одна из ключевых задач для оптических вычислений и передачи данных светом вместо электрических сигналов.
Такие технологии рассматриваются как способ ускорить связь между чипами и внутри дата-центров и одновременно снизить энергопотребление. Это особенно актуально для инфраструктуры, обслуживающей тяжелые ИИ-вычисления, где узким местом часто становится именно передача данных между процессорами, а не сами вычисления.
Более компактные и плотно упакованные оптические схемы также нужны для датчиков, телекоммуникационного оборудования и квантовых устройств. Сами авторы называют предложенный метод в первую очередь инструментом для быстрого прототипирования новых фотонных компонентов — резонаторов, фильтров, ответвителей — и планируют развивать его для более широкого набора устройств на основе GaInS₃.
Подпишитесь на «Инк» в Telegram. Там мы пишем нескучным языком о самом важном для предпринимателей. Подписаться.
