Mikrofotónica se encuentra con microelectrónica

Empleado de salas limpias en el Fraunhofer THM colocando un oblea en la cámara de transferencia de un clúster de deposición / grabado para la estructuración mediante deposición capa por capa. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Resonador óptico de anillo con un diámetro de 200 μm en sustrato de SiC. © Pascal Del’Haye / MPL

Sección transversal de una estructura fotónica en carburo de silicio (SiC sobre aislante, SiCOI). © Pascal Del’Haye / MPL

Carburo de silicio (SiC) es un sistema de material prometedor para circuitos fotónicos integrados (PICs) y sistemas cuánticos de estado sólido miniaturizados. En el proyecto ALP-4-SiC – Procesamiento por capas atómicas para SiC para aplicaciones en fotónica y comunicación cuántica – investigadores del Instituto Max-Planck de la física de la luz (MPL) y del Instituto Fraunhofer para sistemas integrados y tecnología de componentes IISB desarrollan conjuntamente tecnologías básicas para la fabricación de circuitos fotónicos altamente eficientes. A través del ejemplo de guías de ondas de luz y resonadores en anillo, se demuestra cómo, con la ayuda del procesamiento por capas atómicas (ALP), se pueden mejorar significativamente las propiedades ópticas de componentes fotónicos de SiC. ALP-4-SiC cuenta con un financiamiento del 100 % del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) en el marco de la medida “Proyectos científicos preliminares” (WiVoPro).

Son la estrella emergente entre las tecnologías del futuro: los sistemas cuánticos. Sobre todo grandes empresas de alta tecnología e inversores institucionales en todo el mundo han puesto en marcha una verdadera carrera para trasladar fenómenos de la mecánica cuántica de los laboratorios de investigación a aplicaciones prácticas más amplias. En particular en el procesamiento de información, la sensórica y las comunicaciones, ya se anticipan cambios que transformarán de manera sostenible sectores económicos enteros y sociedades.

Desde un punto de vista tecnológico, los sistemas cuánticos se pueden describir mejor como una combinación de física cuántica, fotónica y electrónica. El ejemplo más popular de esto sin duda es la computadora cuántica. Los sistemas cuánticos actuales todavía recuerdan mucho a configuraciones laboratorios complejas de optoelectrónica, y se realiza un esfuerzo técnico enorme para la generación, manipulación y procesamiento de estados cuánticos. Además de la complejidad y el tamaño, la refrigeración necesaria también es un factor limitante, ya que muchas de las soluciones disponibles actualmente solo funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Por ello, la integración de tecnologías cuánticas en productos y servicios comercializables requiere aún esfuerzos considerables en la investigación y el desarrollo de tecnologías básicas esenciales. Asimismo, para una realización económica de sistemas cuánticos prácticos, hace falta una plataforma de material unificada y a prueba de futuro, que permita avances fundamentales en miniaturización, aumento del rendimiento y reducción de costes.

Robusto, compatible, apto para la cuántica: el carburo de silicio como material clave para la cuántica

Por sus propiedades físicas especiales, el material semiconductor carburo de silicio (SiC) se presenta como una plataforma tecnológica prometedora para sistemas cuánticos de estado sólido. El SiC es un semiconductor con una banda prohibida ancha (en inglés, Wide-Bandgap, WBG) y en los últimos años se ha establecido principalmente en el campo de la electrónica de potencia. También es muy atractivo para el desarrollo de microsistemas fotónicos o circuitos fotónicos integrados (en inglés, Photonic Integrated Circuits, PICs), ya que en este material se pueden fabricar tanto componentes ópticos como fuentes de luz y sensores. Además, el SiC es interesante para efectos ópticos no lineales, con los que se puede cambiar el color de la luz láser, por ejemplo, para convertir de manera muy eficiente luz infrarroja en luz visible. La posibilidad de integrar defectos puntuales en forma de centros de color, que funcionan hasta la temperatura ambiente, permite que el SiC incluso pueda integrar directamente funcionalidades cuánticas en el futuro. “De este modo, el carburo de silicio es un talento polifacético para aplicaciones en fotónica, electrónica y cuántica”, explica el Dr. Pascal Del’Haye, quien dirige la parte del proyecto en el Instituto Max-Planck de la física de la luz.

En el SiC, todos los elementos necesarios para construir sistemas cuánticos miniaturizados y de alto rendimiento pueden ser representados. Es compatible tanto con la microelectrónica como con la microfotónica, y además ofrece funciones electrónicas cuánticas completamente nuevas. Como el SiC es compatible con los procesos CMOS bien controlados de la tecnología clásica de silicio, sería excelente para la producción en masa industrial de PICs cuánticos.

La optimización de los primeros componentes microfotónicos allana el camino hacia el chip cuántico de SiC

El camino hacia un chip cuántico optoelectrónico es largo, y la investigación todavía está en sus etapas iniciales. Para construir PICs, primero se necesitan componentes microfotónicos estandarizados con pérdidas ópticas mínimas. Esenciales en esto son las guías de ondas de luz y resonadores en anillo, que pueden guiar o almacenar luz de manera eficiente en estructuras muy pequeñas. Mientras que las guías de ondas cumplen la función de conductores ópticos sin pérdidas, los resonadores consisten en anillos diminutos en los que la luz introducida puede completar hasta un millón de vueltas. Los tiempos de almacenamiento de fotones logrados con esto permiten cargar estos componentes con altas potencias ópticas circulantes, lo que posibilita una variedad de efectos ópticos no lineales. Por ejemplo, los microresonadores pueden convertir la luz láser de una longitud de onda específica en un peine de frecuencias ópticas, es decir, en una fuente de luz con varias frecuencias discretas, lo cual puede ser útil para una transmisión de datos muy rápida y paralela en redes de telecomunicaciones.

Otro efecto útil es la interacción de luz en direcciones opuestas. La acoplamiento óptico no lineal de luz en direcciones opuestas en resonadores en anillo conduce a una ruptura espontánea de la simetría, que solo permite la circulación de la luz en una dirección, ya sea en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. Esto puede permitir, por ejemplo, la fabricación de diodos ópticos integrados en chips, interruptores fotónicos o sensores ópticos, que facilitan la construcción de sistemas fotónicos más complejos.

No obstante, la calidad de los componentes fotónicos fabricados en sustratos de SiC aún no es óptima, y la rugosidad superficial relativamente alta provoca pérdidas ópticas en las guías de ondas y resonadores. Para que los fotones puedan moverse rápidamente y no puedan tunelizarse hacia el exterior, las superficies libres de errores son imprescindibles. Una solución prometedora es alisar las superficies de los componentes mediante grabado por capas atómicas (en inglés, Atomic Layer Etching, ALE), de modo que se creen interfaces bien definidas y se minimicen los centros de pérdida y dispersión.

Puente entre la investigación básica y el desarrollo de procesos en el proyecto ALP-4-SiC

Para desarrollar un proceso de fabricación novedoso para componentes fotónicos complejos basados en carburo de silicio, es necesario que la investigación básica y la investigación orientada a aplicaciones colaboren estrechamente. En el proyecto ALP-4-SiC – Procesamiento por capas atómicas para SiC para aplicaciones en fotónica y comunicación cuántica – combinan sus conocimientos el MPL en Erlangen y el IISB del Fraunhofer con su centro de tecnología en materiales de alto rendimiento THM en Freiberg. El MPL tiene una amplia experiencia en el diseño y la caracterización de componentes fotónicos, mientras que el IISB aporta su experiencia en tecnología de semiconductores de SiC y procesamiento por capas atómicas.

El nuevo enfoque de integración de procesos basados en capas atómicas para componentes fotónicos con propiedades ópticas significativamente mejoradas tiene un gran potencial para la futura comercialización de componentes fotónicos integrados. A medio plazo, especialmente los fabricantes de equipos de procesamiento ALE podrán abrir nuevos mercados y, a cambio, los proveedores de fotónica podrán posicionarse en un mercado en rápido crecimiento con productos innovadores. Sin embargo, todavía no se pueden prever las implicaciones a largo plazo de la disponibilidad de una plataforma tecnológica universal, práctica y escalable para circuitos cuántico-optoelectrónicos integrados basados en SiC.

Instituto Max-Planck de la física de la luz (MPL)

El Instituto Max-Planck de la física de la luz (MPL) abarca un amplio espectro de investigación, incluyendo óptica no lineal, óptica cuántica, nanofotónica, fibras cristalinas fotónicas, optomecánica, tecnologías cuánticas, biofísica y – en colaboración con el Centro Max-Planck para la física y la medicina – conexiones entre física y medicina. El MPL fue fundado en enero de 2009 y es uno de los más de 80 institutos de la Sociedad Max-Planck, que realiza investigación básica en ciencias naturales, biológicas, humanidades y ciencias sociales en beneficio de la sociedad.

Centro de tecnología Fraunhofer para materiales de alto rendimiento THM

El Centro de tecnología Fraunhofer para materiales de alto rendimiento THM en Freiberg, Sajonia, es una plataforma de investigación y transferencia del Instituto Fraunhofer para sistemas integrados y tecnología de componentes IISB y del Instituto Fraunhofer para tecnologías cerámicas y sistemas IKTS. Juntos, trasladan nuevos materiales semiconductores y energéticos a aplicaciones innovadoras y consideran y desarrollan el reciclaje de materiales. Los enfoques principales en el trabajo en el THM son el análisis y desarrollo de sistemas de baterías sostenibles con mejor balance ecológico y disponibilidad de materias primas, así como la investigación y evaluación de componentes semiconductores innovadores y los procesos asociados.

Nota de financiación

El proyecto ALP-4-SiC – Procesamiento por capas atómicas para SiC para aplicaciones en fotónica y comunicación cuántica – es financiado en el marco del programa “Proyectos científicos preliminares (WiVoPro)” del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR). Los proyectos financiados por el BMFTR en esta medida investigan cuestiones científicas con vistas a futuras aplicaciones industriales. Pueden ser realizados por hasta dos instituciones de investigación y tienen como objetivo cerrar la brecha entre la investigación básica y el apoyo a la investigación en colaboración dirigida por la industria.