Планарная фотоника

Интегральная планарная фотоника

В 80-е годы XX века был предложен принцип построения оптических схем в планарном исполнении на основе структур кремний на изоляторе. Экспериментально была продемонстрирована возможность распространения света на кристалле и построение элементарных оптических схем. За последние 40 лет планарная фотоника превратилась в отдельное научно-техническое направление микро- и наноэлектроники и привело к созданию целого ряда функциональных устройств. С развитием плазменных технологий формирования высококачественных оптических пар диэлектриков – оксида и нитрида кремния, в планарной фотонике произошел прорыв в создании структур с предельно низкими оптическими потерями, что открыло новый горизонт использования таких структур в современном мире.


Стоит отметить, что с развитием квантовых технологий перспективной платформой для реализации квантовых схем на фотонах являются элементы именно планарной фотоники.


Динамика развития современной микроэлектроники подчиняется закону Мура, который в последние 10 лет приходит к насыщению по определённым параметрам: мощности потребления, тактовой частоте и др. По этой причине появляются новые альтернативные решения для создания микроэлектронных компонент в том числе основанные на фотонных технологиях. А бурное развитие квантовых технологий в части нейроморфных вычислений и криптографии придает дополнительный импульс к развитию технологий в области планарной фотоники. На сегодняшний день планарная фотоника как отдельная научная дисциплина принята в отдельных развитых странах как критическая технология.


В силу этих тезисов развитие технологий в направлении планарной фотоники в Российской Федерации так же актуально. При этом роль научных достижений в РФ на сегодняшний день несет конкурентный характер. При этом разработки, ведущиеся в ИНМЭ РАН, в направлении создания пассивных элементов фотоники на платформе нитрида кремния не уступают лучшим западным аналогам (например компании LIGENTEC (https://www.ligentec.com/)). Работы в этой области ведутся в направлении оптимизации материалов и совокупности технологических методов создания на их основе фотонных схем различного функционального назначения.


Элементы планарной фотоники на ряду с микроэлектронными компонентами хорошо себя зарекомендовали в области телекоммуникационной связи, обеспечивающие предельно высокую скорость передачи данных на большие расстояния, широкополосность информационного канала, ничтожно малый уровень битовых ошибок и других.


Разработки в области планарной фотоники направленные на создание на одном чипе излучателя, пассивных и активных элементов и детекторов позволят создать фотонный процессор, где в качестве носителя информации будут выступать фотоны. Данная идея на сегодняшний день является основной задачей планарной фотоники – создание полноценного “фотонного” чипа различного функционального назначения.


В ИНМЭ РАН ведутся разработки и исследования в области фотоники в части фундаментальных исследований распространения света в оптически плотных средах, детектирования слабых оптических сигналов, генерации одноквантовых состояний в синтетическом алмазе и элементов планарной фотоники:

- разработана уникальная технология создания сверхпроводящих ультратонких пленок нитрида ниобия методом атомно-слоевого осаждения (ALD), которые являются основой при создании однофотонных детекторов;

- разработана уникальная технология создания пленок нитрида кремния методом CVD на термическом оксиде толщиной до 2 мкм с высоким оптическим качеством, а именно низкими собственными потерями в области телекоммуникационных длин волн;

- разработана технология создания методами CVD синтетических алмазов в форм-факторе 100 мм пластин с варьируемыми параметрами в процессе их роста;

- разработана технология создания пассивных элементов планарной фотоники: кольцевых резонаторов, делителей луча, интерферометров Маха-Цендера;

- разработан метод высокоэффективного разделения на оптические чипы без нарушения торцевого ввода;

- ведутся работы по созданию технологического процесса создания элементов планарной фотоники по полноценному Дамасскому процессу с характерными размерами критической связи резонансных структур ~ 100 нм.

Кольцевой резонатор производства ИНМЭ РАН на основе пленки Si3N4 полученной методом CVD

СЭМ изображение кольцевого резонатора. Достигнутые значения добротности 700 000 – 1 000 000.

Демонстрация генерации оптической гребенки на структурах, изготовленных из пленки Si3N4 полученной методом CVD

СЭМ изображение фрагмента согласующего устройства ввода/вывода излучения в планарные структуры. Такое исполнение позволяет достичь минимальных потерь на согласование между волноводом и линзованным волокном.