Mikrofotonik se setkává s mikroelektronikou

Pracovník v čistém prostoru ve Fraunhofer THM při vkládání waferu do přenosové komory odpařovacího / etchového clusteru pro strukturování pomocí atomové vrstvy. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Optický kruhový rezonátor s průměrem 200 μm na substrátu SiC. © Pascal Del’Haye / MPL

Řez fotonickou strukturou v karbidu křemíku (SiC na izolátoru, SiCOI). © Pascal Del’Haye / MPL

Siliciumkarbid (SiC) je slibný systém materiálů pro fotonické integrované obvody (PICs) a miniaturizované pevné látkové kvantové systémy. V projektu ALP-4-SiC – Atomové vrstvy pro SiC pro aplikace v optice a kvantové komunikaci – společně vyvíjejí výzkumníci z Max-Planck-Institutu pro fyziku světla (MPL) a Fraunhoferova institutu pro integrované systémy a technologii součástek IISB základní technologie pro výrobu vysoce účinných fotonických obvodů. Na příkladu světelných vlnovodů a kruhových rezonátorů je demonstrováno, jak pomocí procesu atomových vrstev (ALP) lze významně zlepšit optické vlastnosti fotonických prvků z SiC. ALP-4-SiC je z 100 % financován Spolkovým ministerstvem výzkumu, technologií a letectví (BMFTR) v rámci opatření „Vědecké předběžné projekty“ (WiVoPro).

Patříte mezi hvězdy budoucích technologií: kvantové systémy. Především velké high-tech společnosti a institucionální investoři po celém světě spustili doslova závod, aby přenesli jevy kvantové mechaniky z výzkumných laboratoří do širší praktické aplikace. Zejména v oblasti zpracování informací, senzoriky a komunikace již dnes dochází k transformacím, které budou trvale měnit celé odvětví a společnosti.

Technologicky lze kvantové systémy nejlépe popsat jako kombinaci kvantové fyziky, fotoniky a elektroniky. Nejpopulárnějším příkladem je jistě kvantový počítač. Současné kvantové systémy ještě velmi připomínají složité optoelektronické laboratorní sestavy a pro vytváření, manipulaci a zpracování kvantových stavů je vynakládán obrovský technický úsilí. Kromě složitosti a velikosti je limitujícím faktorem také nutné chlazení, protože mnoho současných řešení funguje pouze při teplotách blízkých absolutní nule.

Integrace kvantových technologií do komerčně použitelných produktů a služeb proto vyžaduje ještě značné úsilí ve výzkumu a vývoji základních technologií. Rovněž chybí jednotná a budoucností odolná materiálová platforma, která by umožnila zásadní pokroky v miniaturizaci, zvyšování výkonu a snižování nákladů.

Robustní, připojitelné, kvantové: Siliciumkarbid jako klíčový materiál pro kvantové technologie

Vzhledem ke svým zvláštním fyzikálním vlastnostem je polovodičový materiál siliciumkarbid (SiC) považován za slibnou technologickou platformu pro pevné látkové kvantové systémy. SiC je polovodič s širokou zakázanou mezerou (anglicky Wide-Bandgap, zkráceně WBG) a v posledních letech se především etabloval v oblasti výkonové elektroniky. SiC je také velmi atraktivní pro vývoj fotonických mikrosystémů či fotonicky integrovaných obvodů (anglicky Photonic Integrated Circuits, zkráceně PICs), protože v tomto materiálu lze vyrábět jak optické prvky, tak zdroje světla a senzory. Navíc je SiC zajímavé pro nelineární optické efekty, které umožňují změnu barvy laserového světla, například k velmi efektivní přeměně infračerveného světla na viditelné. Díky možnosti integrace bodových defektů ve formě takzvaných barevných center, které fungují až při pokojové teplotě, umožňuje SiC perspektivně i přímou integraci kvantových funkcí. „Siliciumkarbid je tak univerzální materiál pro fotoniku, elektroniku a kvantové aplikace,“ vysvětluje Dr. Pascal Del’Haye, vedoucí části projektu v Max-Planck-Institutu pro fyziku světla.

V SiC jsou tedy všechny prvky potřebné k výstavbě výkonných miniaturizovaných kvantových systémů zobrazitelné. Je připojitelné jak k mikroelektronice, tak k mikrofotonice a nabízí zcela nové kvantově-elektronické funkce. Protože je SiC kompatibilní s dobře zvládnutelnými CMOS procesy klasické silikonové technologie, bylo by ideální pro průmyslovou masovou výrobu kvantových PICs.

Optimalizace prvních mikrofotonických prvků otevírá cestu k SiC kvantovému čipu

Výstavba optoelektronického kvantového čipu je dlouhá cesta a výzkum je zde stále spíše v počáteční fázi. Pro konstrukci PIC je nejprve potřeba standardizované mikrofotonické prvky s minimálními optickými ztrátami. Klíčové jsou zde světelné vlnovody a kruhové rezonátory, které mohou efektivně vést nebo ukládat světlo v nejmenších strukturách. Zatímco vlnovody zajišťují funkci ztrátově neztrátových optických vedení, rezonátory tvoří malé kruhy, ve kterých může vstupní světlo absolvovat až milion oběhů. Díky tomu lze dosáhnout velmi dlouhých časů uložení fotonů, což umožňuje jejich nabíjení vysokými cirkulujícími optickými výkony a tím i řadu nelineárních optických efektů. Například mikroresonátory mohou přeměnit laserové světlo s určitým vlnovým délkou na optický frekvenčním spektrum, tedy na světelný zdroj s několika diskrétními frekvencemi, což lze využít například pro velmi rychlý paralelní přenos dat v telekomunikačních sítích.

Dalším užitečným efektem je interakce protichůdného světla. Nelineární optické vzájemné vnoření protichůdného světla do kruhových rezonátorů vede ke spontánní narušení symetrie, které umožňuje cirkulaci světla pouze jedním směrem, tedy ve směru nebo proti směru hodinových ručiček. Tím lze například realizovat chipové integrované optické diody, fotonické spínače nebo optické senzory, které umožní výstavbu složitějších fotonických systémů.

Nicméně kvalita fotonických prvků vyráběných na substrátech SiC zatím není optimální a relativně vysoká povrchová drsnost způsobuje optické ztráty v vlnovodech a rezonátorech. Aby se fotony mohly rychle pohybovat a ne tunelovaly ven, jsou nezbytné bezchybná povrchy. Jedním z perspektivních řešení je vyhlazování povrchů prvků pomocí atomových vrstev přesného leptání (anglicky Atomic Layer Etching, ALE), což zajistí dobře oddělené rozhraní a minimalizuje ztráty a rozptylové centra.

Most mezi základním výzkumem a vývojem procesů v projektu ALP-4-SiC

Pro vývoj nového výrobního procesu pro složité fotonické prvky na bázi siliciumkarbid je nutná intenzivní spolupráce základního a aplikovaného výzkumu. V projektu ALP-4-SiC – Atomové vrstvy pro SiC pro aplikace v optice a kvantové komunikaci – spojují své znalosti MPL v Erlangenu a Fraunhoferův IISB se svým střediskem Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien (THM) v Freibergu. MPL má rozsáhlé zkušenosti s návrhem a charakterizací fotonických prvků, zatímco IISB přináší své odborné znalosti v oblasti SiC polovodičové technologie a procesu atomových vrstev.

Nový přístup integrace procesů založených na atomových vrstvách pro fotonické prvky s výrazně vylepšenými optickými vlastnostmi má velký potenciál pro budoucí komercializaci integrovaných fotonických prvků. Střednědobě by mohli především výrobci ALE zařízení získat nové zákazníky a naopak by mohli poskytovatelé fotonických produktů díky inovativním produktům obsadit rychle rostoucí trh. Dlouhodobé dopady dostupnosti univerzální, praktické a škálovatelné technologické platformy pro integrované kvantově-optické obvody na bázi SiC však dnes ještě nelze předvídat.

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL)

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) pokrývá široké spektrum výzkumu, včetně nelineární optiky, kvantové optiky, nanofotoniky, fotonických krystalových vláken, optomechaniky, kvantových technologií, biophysiky a – ve spolupráci s Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin – spojení mezi fyzikou a medicínou. MPL bylo založeno v lednu 2009 a je jedním z více než 80 institutů Max-Planck-Gesellschaft, které provádějí základní výzkum v přírodních, biologických, humanitních a společenských vědách ve prospěch společnosti.

Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM

Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM v Freibergu, Sasko, je výzkumná a transferová platforma Fraunhoferova institutu pro integrované systémy a technologii součástek IISB a Fraunhoferova institutu pro keramické technologie a systémy IKTS. Společně přenášejí polovodičové a energetické materiály do nových aplikací a zároveň zohledňují a vyvíjejí recyklaci materiálů. Hlavními oblastmi práce na Fraunhofer THM jsou analýza a vývoj udržitelných bateriových systémů s lepší ekologickou bilancí a dostupností surovin, stejně jako výzkum a hodnocení inovativních polovodičových prvků a s nimi souvisejících výrobních kroků.

Upozornění na financování

Projekt ALP-4-SiC – Atomové vrstvy pro SiC pro aplikace v optice a kvantové komunikaci – je financován v rámci programu „Vědecké předběžné projekty (WiVoPro)“ Spolkového ministerstva výzkumu, technologií a letectví (BMFTR). Projekty financované touto podporou zkoumají vědecké otázky s ohledem na budoucí průmyslové aplikace. Mohou být prováděny až dvěma výzkumnými institucemi a mají uzavřít mezeru mezi základním výzkumem a průmyslovou podporou založenou na konsorciích.