Учёные создали прозрачные фотонные чипы, выдерживающие тысячи изгибов
Исследователи из MIT разработали технологию производства кремниевых фотонных чипов, которые одновременно остаются прозрачными и гибкими. Они имеют толщину всего несколько микрометров и выдерживают тысячи циклов изгиба без заметного ухудшения характеристик. Технология совместима с промышленными 300-миллиметровыми кремниевыми пластинами, что потенциально упрощает её масштабирование.
Кремниевая фотоника использует свет для передачи и обработки информации внутри микросхем. Такие системы способны обеспечивать высокую скорость передачи данных, однако традиционные кремниевые фотонные устройства изготавливаются на жёстких и непрозрачных подложках, что ограничивает области их применения.
Команда MIT совместно со специалистами комплекса Albany NanoTech компании NY Creates разработала способ удаления массивной кремниевой основы после формирования необходимых фотонных элементов. В результате остаётся чрезвычайно тонкая структура, которую можно перенести на прозрачную гибкую плёнку.
Сначала на обычной кремниевой пластине формируют оптические волноводы — микроскопические структуры, по которым распространяется свет. Затем к ней временно присоединяют другую кремниевую пластину, после чего исходную кремниевую подложку практически полностью удаляют.
На оставшиеся слои наносят тонкую прозрачную полиэфирную плёнку, а временную пластину также удаляют. В итоге получается тонкая прозрачная фотонная структура, способная изгибаться.
Особенно важно, что процесс реализован на 300-миллиметровых пластинах — одном из стандартных размеров, используемых современной полупроводниковой промышленностью. Это позволяет одновременно формировать большое количество устройств с использованием уже существующего производственного оборудования.
Одной из главных технических проблем стала деформация пластины. После удаления большей части кремния оставшиеся сверхтонкие слои могут изгибаться и покрываться неровностями из-за внутренних механических напряжений. Чтобы избежать этого, исследователи ограничили температуру технологических процессов примерно 500 °C и совместили промышленные методы утончения кремния с селективным химическим травлением.
Испытания показали, что полученные устройства сохраняют оптические характеристики после тысяч циклов изгиба вокруг цилиндров небольшого диаметра. Заметное ухудшение работы появлялось лишь после нескольких сильных изгибов вокруг объекта диаметром примерно с зубочистку.
Учёные также проверили прозрачность материала с помощью экспериментальной системы, имитирующей расположение устройства перед глазом. Фотонный чип создавал лишь небольшое рассеяние света и практически не искажал изображение за ним.
Благодаря этому технология может найти применение в системах дополненной реальности. Например, фотонные элементы потенциально можно будет интегрировать непосредственно в изогнутые прозрачные поверхности — автомобильные стёкла, очки или визоры авиационных шлемов.
Другим направлением могут стать носимые медицинские устройства. Гибкие фотонные системы можно размещать непосредственно на теле, позволяя им повторять его форму вместо использования традиционных жёстких электронных модулей.
Следующим этапом станет интеграция более сложных фотонных компонентов, повышение эффективности оптических волноводов и дальнейшее увеличение прозрачности материала. Исследователи также рассчитывают сделать технологическую платформу доступной другим научным группам, работающим с кремниевой фотоникой.
Исследование в журнале Optica.