Танталат лития сделали «звездой» фотонных схем

Быстро развивающемуся сегменту высокоскоростной оптической связи препятствовали высокая стоимость и нехватка необходимых материалов для создания фотонных интегральных схем (photonic integrated circuits, сокращённо PIC).


Фотонные схемы — это миниатюрные чипы, в которых свет служит вместо электричества для передачи данных. PIC — основа для волоконно-оптических сетей, то есть для высокоскоростного интернета, квантовых вычислений и искусственного интеллекта. В результате развития фотонных схем можно улучшить скорость интернета и вычислительные возможности.

Традиционно основным материалом для фотонных технологий был ниобат лития (LiNbO₃). Этот полезнейший материал эффективно преобразует электрические сигналы в свет и наоборот благодаря свойству, известному как эффект Поккельса. Электрооптический эффект Поккельса активно применяют для создания сверхбыстродействующих оптических модуляторов. Однако у ниобата лития есть существенный недостаток — дороговизна и трудности с производством в больших масштабах.

Так учёным пришло на ум испытать для тех же целей танталат лития (LiTaO₃), который образно можно назвать близким родственником ниобата лития благодаря его почти идентичной кристаллической структуре. Но есть и выгодное отличие: танталат лития уже производят достаточно дёшево и в немалых количествах для беспроводных фильтров мобильной связи пятого поколения, то есть 5G.

Возглавили научный проект Тобиас Киппенберг из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Синь Оу из Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT).

На первом этапе новаторы создали плёнки танталата лития на подложках-изоляторах (LTOI) с помощью процесса под названием smart-cut («умный крой»). Суть его в том, чтобы встроить ионы водорода в пластину танталата лития, затем приклеить её к кремниевой пластине, а потом нагревать до тех пор, пока водород не расширится и не срежет тонкий слой. Затем этот слой полируют до желаемой толщины, которая в конкретном случае составляла всего 600 нанометров.



Затем исследователи вытравили из плёнок LTOI сложные узоры, необходимые для PIC. Они отладили процесс, который ранее разработали для ниобата лития, используя твёрдую маску из алмазоподобного углерода. Это позволило создать гладкие оптические волноводы с малыми потерями — своеобразные «провода», которые направляют свет через PIC.

Но создание описанных структур было лишь половиной дела. Исследователям также необходимо было оснастить PIC электродами для управления потоком света. Здесь они снова внедрили инновации: разработали процесс с использованием литографии (техники плоской печати) в глубоком ультрафиолетовом диапазоне. В результате удалось создать высококачественные золотые электроды с точной центровкой.

Результаты, описанные в журнале Nature, были очень впечатляющими. Фотонные интегральные схемы на основе LTOI (на первом фото) показали оптические потери всего в 5,6 децибела на метр (главный показатель производительности). Созданные PIC также продемонстрировали высокоскоростную электрооптическую модуляцию (изменения параметров), по производительности сравнимую с современными устройствами на основе ниобата лития.

Учёные также обнаружили у танталата лития ряд уникальных преимуществ перед ниобатом. Так, у него гораздо ниже двойное лучепреломление (двулучепреломление), то есть свойство, которое может вызывать нежелательное смешение поляризаций света. Иными словами, PIC на основе LTOI может работать в более широком диапазоне длин волн, охватывая все основные диапазоны для телекоммуникаций.

Ещё одно преимущество — пригодность танталата лития для создания солитонных микрогребёнок. Поясним, что частотные гребёнки или спектральные гребёнки — это не устройства, а спектр, который графически представляет собой кривую линию с равномерными промежутками. В оптике частотная гребенка может генерироваться определёнными лазерными источниками. Солитоны на иллюстрации из научной статьи обозначены голубой штриховкой.



Солитонными микрогребёнками называют сверхточные частотные гребёнки, которые в будущем могут обеспечить ещё более высокую скорость передачи данных. В ниобате лития генерация солитонов была ограничена определённой ориентацией кристаллов. Однако исследователи обнаружили, что, тщательно контролируя ориентацию своих волноводов LTOI, они могут генерировать солитоны в любом направлении.

Ченгли Ван, первый автор исследования, пояснил, что созданные командой учёных солитонные микросхемы особенно подходят для создания лидаров (лазерных локаторов) и фотонных вычислений.

Научный проект сулит интереснейшие перспективы. Благодаря развитому производству танталата лития PIC на основе LTOI можно было бы производить по цене, намного ниже той, что приходится платить за устройства из ниобата лития. Таким образом, высокоскоростная оптическая связь станет гораздо доступнее и для сетей большой протяжённости, и для центров обработки данных, и для мобильной связи 5G.

Однако преимущества выходят за рамки стоимости. Уникальные свойства танталата лития — низкое двулучепреломление и универсальность для генерации солитонов — могут обеспечить совершенно новые возможности в области фототехники. Например, исследователи рассматривают использование PIC для квантовых вычислений, при которых способность точно контролировать и запутывать фотоны имеет решающее значение.

Прорыв с изготовлением и испытаниями PIC на основе LTOI — яркий пример того, как материаловедение, технологические инновации и оптическая инженерия вместе взятые служат прогрессу. Благодаря нестандартному мышлению и использованию ранее неизученного материала исследователи приблизили новые рубежи в области высокоскоростной оптики.