Фотонные чипы станут эффективнее и дешевле: ученые на пороге революции в области вычислений

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT) создали новый вид фотонных интегральных схем (PIC). Такие чипы из танталата лития обещают повышенную производительность, экономичность и более широкий потенциал применения, пишет Interesting Engineering.

PIC объединяют несколько оптических устройств и функций на одном чипе. С момента своей первой разработки PIC произвели революцию в системах оптической связи и вычислений. Такие интегральные схемы на основе кремния использовались на протяжении многих лет из-за их экономической эффективности и интеграции с существующими технологиями производства полупроводников. Однако они имеют ограничения в полосе пропускания электрооптической модуляции. Тем не менее, несмотря на эти ограничения, чипы оптических приемопередатчиков типа "кремний на изоляторе" успешно коммерциализируются. На сегодняшний день предпочтительным вариантом PIC является пластина ниобата лития на изоляторе.

PIC из танталата лития — новые возможности

Танталат лития — это неорганическое соединение соли лития и танталовой кислоты с формулой LiTaO₃ в виде бесцветных кристаллов. Данное вещество способно удешевить производство фотонных интегральных схем, так как обладает превосходными электрооптическими свойствами, аналогичными ниобату лития, но имеет преимущества с точки зрения масштабируемости и стоимости. Это особенно актуально, поскольку телекоммуникационная отрасль уже широко использует его в радиочастотных фильтрах 5G.

Новый тип PIC может произвести революцию в области телекоммуникаций, повысив качество и экономичность чипов. Чтобы подтвердить это на практике, исследователи создали метод соединения пластин танталата лития с помощью линий по производству кремния на изоляторе. Затем они замаскировали пластину алмазоподобным углеродом и протравили оптические волноводы, модуляторы и микрорезонаторы. Процесс травления был осуществлен путем объединения методов фотолитографии в глубоком ультрафиолете (DUV) и сухого травления.

Эти методы первоначально были разработаны для ниобата лития, а затем адаптированы для более твердого и инертного танталата лития. В ходе процесса адаптации параметры травления были оптимизированы для снижения оптических потерь, что является критическим фактором для достижения высоких характеристик фотонных схем.

Изготовленные PIC из танталата лития демонстрируют высокую эффективность с коэффициентом оптических потерь всего 5,6 дБ/м и электрооптической полосой пропускания 40 ГГц. Они способны обеспечить высокоскоростную передачу данных для систем оптической связи следующего поколения.

"Поддерживая высокоэффективные электрооптические характеристики, мы также создали на этой платформе солитонную микросоту", — пояснил Чэнли Ван, соавтор исследования. — "Эти солитонные микрогребенки имеют большое количество когерентных частот и в сочетании с возможностями электрооптической модуляции подходят для таких приложений, как параллельные когерентные LiDAR и фотонные вычисления".

Танталат лития PIC имеет пониженное двойное лучепреломление. Это означает, что он меньше зависит от поляризации света и направления распространения. Такие условия позволяют создавать плотные конфигурации каналов и обеспечивает широкие эксплуатационные возможности во всех диапазонах телекоммуникаций.