Исследователи Калифорнийского технологического института научились формировать на стандартных кремниевых пластинах оптические схемы из германосиликата — того самого материала, из которого делают сердцевину телекоммуникационного оптоволокна. Потери сигнала в полученных волноводах оказались сопоставимы с потерями в обычном оптическом кабеле, а в видимом диапазоне новая платформа превзошла широко распространённый нитрид кремния в двадцать раз. Результаты опубликованы в Nature.
Почему фотонике нужен новый материал для волноводов
Фотонные интегральные схемы — чипы, обрабатывающие информацию при помощи света, а не электрического тока — давно перестали быть лабораторной диковинкой. Их применяют в дата-центрах для высокоскоростной передачи данных, в навигационных гироскопах, оптических часах и экспериментальных квантовых процессорах. Но у всех существующих платформ общая проблема: свет теряет энергию, проходя по наноразмерным каналам внутри кристалла. Чем выше потери, тем больше мощности уходит впустую и тем хуже точность измерений.
До сих пор лучшим материалом для низких потерь считался нитрид кремния. Он хорошо работает в ближнем инфракрасном диапазоне, но заметно сдаёт позиции на длинах волн видимого света, а именно видимый спектр критичен для оптических часов, биосенсоров и ряда квантовых технологий.
Германосиликатные волноводы: оптоволокно на кремниевой пластине
Команда профессора Керри Вахалы из Caltech предложила радикальное решение: перенести на чип материал, десятилетиями доказавший свою эффективность в телекоммуникационных кабелях. Германосиликат (стекло с добавкой оксида германия) составляет основу практически всего мирового оптоволокна. Его оптические свойства отлично изучены, а потери в нём минимальны по определению.
Сложность заключалась в том, чтобы сформировать из этого материала наноразмерные волноводы на поверхности восьми- и двенадцатидюймовых пластин — тех самых, что используются в серийном производстве микросхем. Для этого учёные адаптировали стандартный литографический процесс. Волноводы выполнены в форме спиралей: свет многократно проходит по витку, набирая длину оптического пути, при этом вся конструкция умещается на площади кристалла. По сути, это аналог катушки оптоволокна, свёрнутой до размеров чипа.
Дополнительный приём — термическое оплавление поверхности волновода. Благодаря сравнительно невысокой температуре плавления германосиликата устройства помещают в печь, где стенки каналов разглаживаются до атомарного уровня. Именно шероховатость поверхности служит главным источником рассеяния в обычных фотонных схемах видимого диапазона, и её устранение дало двадцатикратный выигрыш по сравнению с нитридом кремния.
Где это будет применяться
Области использования простираются от серверных стоек до фундаментальной физики:
- Оптическая связь в ИИ-дата-центрах — сверхнизкие потери позволяют сократить энергозатраты на передачу данных между ускорителями и хранилищами;
- Прецизионные измерения — оптические часы для синхронизации сетей и гироскопы для навигации выигрывают от минимального затухания сигнала;
- Квантовые вычисления — когерентность фотонных состояний напрямую зависит от потерь в волноводе.
Для полупроводников принципиально то, что германосиликатные схемы изготавливаются на стандартном оборудовании для обработки кремниевых пластин. Это означает совместимость с действующими фабричными линиями и потенциальную масштабируемость до промышленных объёмов — без необходимости строить отдельную инфраструктуру под новый класс материалов.