Исследователи Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали технологию фотонных чипов с низкими потерями при передаче света в диапазоне от видимого спектра до телекоммуникационных длин волн. Работа опубликована в журнале Nature.

Ключевой показатель - потери света в новом фотонном чипе составляют менее 0,1 дБ/м в широком диапазоне длин волн: от 458 нм (синий спектр) до 1550 нм (телекоммуникационный диапазон). Этот результат сопоставим с показателями стандартного телекоммуникационного оптоволокна. В кольцевых резонаторах, изготовленных по новой технологии, достигнута оптическая добротность более 180 млн на всех измеренных длинах волн.

Как этого добились

Достижение стало возможным благодаря применению CMOS-совместимого процесса производства на основе германосиликата (легированного германием кварцевого стекла) того же материала, который используется для сердцевины оптоволоконных кабелей.

Ученые адаптировали стандартный литографический процесс для формирования наноразмерных волноводов на поверхности 8- и 12-дюймовых кремниевых пластин. Волноводы выполнены в форме спиралей, что позволяет свету проходить большой оптический путь на малой площади кристалла.

Благодаря сравнительно низкой температуре плавления германосиликата, исследователи применяют процесс «reflow» (оплавление) в печи, за счет чего поверхность волноводов сглаживается до неровностей атомарного уровня. Это подавляет рассеяние, характерное для "традиционных" схем кремниевой фотоники. 

Основные преимущества

Технология совместима с действующими CMOS-линиями и не требует высокотемпературного отжига (как нитрид кремния, которому для отжига требуются температуры >1000°C), что позволяет интегрировать фотонные схемы и традиционную микроэлектронику (back-end-of-line).

Работа в диапазоне от синего до телекоммуникационных длин волн расширяет возможности применения, включая атомные операции для оптических часов и сенсоров.

На видимых длинах волн новая платформа превосходит нитрид кремния в 20 раз, заявляют ученые.

Не только теория

Исследователи создали несколько рабочих устройств на новой платформе:

Устройство размером в несколько миллиметров преобразует недорогие многомодовые диодные лазеры в узкополосные лазеры с шириной линии 10 Гц. Достигнуто более чем 100-кратное (20 dB) увеличение когерентности по сравнению с предыдущими результатами в синем, зеленом и красном диапазонах. Также созданы дисперсионно-инженерные солитонные микрогребенки и лазеры Бриллюэна, усиленные одновременным оптическим и акустическим ограничением.

Что еще обещает сделать возможным новая технология

• Создание компактных фотонных квантовых компьютеров и квантовых сетей
• Снижение энергопотребления серверной инфраструктуры
• Создание улученных систем биомедицинской визуализации, использующих видимый свет
• Создание легких дисплеев дополненной реальности с высоким разрешением
• Создание портативных систем точного времени и навигации, не требующих GPS

Исследователи продолжают совершенствовать технологию, планируя дальнейшее снижение потерь и интеграцию активных компонентов (лазеров, усилителей, электрооптических устройств) непосредственно на чип для создания полных фотонных систем для портативных часов, квантовых технологий и сенсорных применений. В числе поддерживающих разработку организаций - DARPA и ВВС США.

--

теги: микроэлектроника горизонты технологий кремниевая фотоника германосиликат наука научные разработки

--