В кремниевый фотонный чип впервые встроили оптический изолятор с помощью лазера
Инженеры Kyocera и Университета Тохоку разработали способ напрямую формировать оптический изолятор на кремниевом фотонном чипе с помощью локального лазерного нагрева. Исследователи продемонстрировали работу устройства, которое пропускает свет преимущественно в одном направлении и подавляет отражённое излучение примерно на 95%. По данным разработчиков, это первая демонстрация такой интеграции с использованием лазерного отжига непосредственно на кремниевой фотонной схеме.
Оптические изоляторы необходимы для защиты лазеров от света, отражающегося обратно внутри фотонных схем. Такие отражения способны нарушать стабильность лазерного источника и ухудшать передачу данных. Проблема особенно важна для кремниевой фотоники и систем Co-Packaged Optics, где оптические и электронные компоненты размещаются максимально близко друг к другу для увеличения скорости передачи данных и снижения энергопотребления.
Для создания изолятора используется магнитооптический материал — церий-замещённый иттрий-железный гранат Ce. Чтобы материал приобрёл необходимые свойства, его обычно приходится нагревать примерно до 600 °C или выше. Обычный печной отжиг при такой температуре может повредить металлические электроды, проводники и другие элементы уже изготовленного фотонного чипа.
Исследователи решили эту проблему, нагревая только небольшой участок с магнитооптическим материалом. Для этого использовался лазер с длиной волны 915 нанометров. Обрабатываемая область занимала примерно 700 × 700 микрометров, поэтому окружающая кремниевая схема практически не подвергалась сильному тепловому воздействию. Лазерный отжиг позволил кристаллизовать Ce непосредственно рядом с кремниевым волноводом, не повреждая остальные компоненты.
На основе этой технологии учёные изготовили магнитооптический изолятор с интерферометром Маха—Цендера. При длине волны около 1540 нанометров устройство показало коэффициент изоляции 13,6 дБ, что соответствует подавлению обратного света примерно на 95%. Измеренный фарадеевский поворот составил 0,092 градуса на микрометр.
Пока технология далека от готового коммерческого устройства. В экспериментальном изоляторе потери при прохождении света составляли 20,4 дБ, а потери распространения — 9,5 дБ. Это довольно высокие значения, поэтому следующим этапом станет уменьшение потерь, повышение эффективности и адаптация процесса к массовому производству.
Разработка может оказаться особенно важной для будущих фотонных соединений в центрах обработки данных и ускорителях искусственного интеллекта. Кремниевая фотоника позволяет передавать большие объёмы информации с меньшим энергопотреблением, однако для создания полностью интегрированных оптических систем необходимо разместить на одном чипе не только волноводы и модуляторы, но и элементы, защищающие лазеры от обратных отражений. Локальный лазерный отжиг позволяет добавлять такие компоненты уже после формирования чувствительных электронных структур.
При этом сами оптические изоляторы ранее уже интегрировали в кремниевые фотонные платформы другими способами. Новизна нынешней работы заключается именно в возможности локально кристаллизовать магнитооптический материал лазером непосредственно на кремниевой схеме, не нагревая весь чип до высокой температуры.
Исследование в журнале IEEE Access.