Фотонные чипы теперь можно собирать как Lego — даже из кристаллов, которые раньше не уживались вместе
Исследователи разработали способ собирать фотонные микросхемы из разных кристаллических материалов, размещая каждый именно там, где нужны его свойства. Ультратонкие кристаллические пленки можно переносить на готовый чип, ставить рядом или накладывать друг на друга, поэтому одна микросхема получает сразу несколько функций, которые трудно совместить в одном материале.
Фотонные чипы передают и обрабатывают сигналы с помощью света. Кремний и нитрид кремния хорошо подходят для создания миниатюрных каналов, по которым движется свет, но не могут одинаково хорошо менять его параметры, блокировать отраженный сигнал и улавливать излучение разных длин волн. Инженерам приходится добавлять материалы с другими оптическими, электрическими и магнитными свойствами.
Главная трудность начинается при попытке объединить разные кристаллы на одной подложке. Если выращивать один материал прямо поверх другого, несовпадение их кристаллической структуры может породить дефекты и ухудшить работу устройства. Авторы новой работы пошли другим путем: сначала вырастили качественные кристаллы отдельно, отделили от них очень тонкие монокристаллические пленки, а затем перенесли пленки на уже изготовленные кремниевые схемы.
Получается своего рода конструктор для фотоники. Базовый чип остается прежним, а разработчик добавляет к нему кристаллические элементы под конкретную задачу. Пленки удерживаются на поверхности за счет сил Ван-дер-Ваальса, поэтому подход позволяет совмещать материалы, которые трудно выращивать непосредственно друг на друге. С похожими ультратонкими кристаллами инженеры уже экспериментируют в компактной фотонике.
В качестве одного из блоков исследователи взяли титанат бария. Электрическое поле меняет его оптические свойства, поэтому материал может быстро управлять световым сигналом. Созданный на его основе электрооптический модулятор показал полосу пропускания свыше 23 ГГц, а измеренный коэффициент Поккельса превысил 1290 пм/В.
Другую задачу поручили ферриту кобальта. Магнитные свойства материала позволили управлять направлением распространения света и создать миниатюрный оптический изолятор. Такой компонент пропускает сигнал вперед и мешает отраженному свету вернуться к источнику, где обратное излучение способно нарушить работу лазера и других чувствительных элементов.
Арсенид галлия и нитрид галлия исследователи разместили рядом на схеме из нитрида кремния. Разные участки микросхемы благодаря этому смогли обнаруживать излучение в широком диапазоне, от ультрафиолета до ближнего инфракрасного света. Инженеры также уложили титанат бария и феррит кобальта слоями на одном кольцевом резонаторе и совместили электрическое и магнитное управление светом в одном элементе.
Подход пока проверили на экспериментальных устройствах, до массового производства дело не дошло. Но модульная сборка снимает одно из заметных ограничений фотоники: разработчикам больше не нужно искать единственный материал, который одинаково хорошо справится со всеми задачами. Авторы рассматривают метод для фотонных вычислений, оптических соединений в системах искусственного интеллекта, датчиков и квантовых устройств.