Mikrooptika találkozik mikroelektronikával

Reinraum-Mitarbeiter am Fraunhofer THM beim Einlegen eines Wafers in die Transferkammer eines Abscheide- / Ätzclusters für die Strukturierung mittels Atomlagenbeschichtung. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Optikus gyűrűrezonátor 200 μm átmérővel SiC-alapra. © Pascal Del’Haye / MPL

Vágási kép egy fotonikus struktúráról szilícium-karbidben (SiC az insulatoron, SiCOI). © Pascal Del’Haye / MPL

Szilíciumkarbid (SiC) egy ígéretes anyagrendszer fotonikus integrált áramkörök (PIC-ek) és miniatürizált szilárdtest kvantumrendszerek számára. A ALP-4-SiC – Atomréteges feldolgozás SiC-hez fotonika és kvantumkommunikációs alkalmazásokhoz – projekt keretében a Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) és a Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB közösen fejlesztenek alaptechnológiákat a magas hatékonyságú fotonikus kapcsolási rendszerek gyártásához. Például fényvezetők és gyűrűrezonátorok segítségével bemutatják, hogyan lehet az atomréteges feldolgozás (ALP) segítségével jelentősen javítani a SiC-ből készült fotonikus elemek optikai tulajdonságait. Az ALP-4-SiC projektet 100%-ban a Szövetségi Kutatási, Technológiai és Űrkutatási Minisztérium (BMFTR) támogatja a „Tudományos Előprojektek” (WiVoPro) keretében.

Ők a jövő technológiáinak egyik legfelkapottabb csillaga: a kvantumrendszerek. Különösen nagy technológiai vállalatok és intézményi befektetők indítottak világszerte versenyt, hogy a kvantummechanika jelenségeit a kutatólaboratóriumokból a szélesebb gyakorlati alkalmazásokba vigyék. Különösen az információfeldolgozás, szenzorozás és kommunikáció területén már ma is változások bontakoznak ki, amelyek tartósan átalakítják az egész gazdasági ágazatokat és társadalmakat.

Technológiailag a kvantumrendszerek leginkább a kvantumfizika, a fotonika és az elektronika kombinációjaként írhatók le. A legismertebb példa erre kétségtelenül a kvantumszámítógép. A mai kvantumrendszerek még nagyon hasonlítanak a bonyolult optoelektronikus laboratóriumi felépítésekhez, és a kvantumállapotok előállításához, manipulálásához és feldolgozásához óriási technikai erőfeszítések szükségesek. A komplexitás és a méret mellett a szükséges hűtés is korlátozó tényező, mivel sok jelenleg elérhető megoldás csak közel az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten működik.

A kvantumtechnológiák beépítése piacképes termékekbe és szolgáltatásokba ezért még jelentős kutatási és fejlesztési erőfeszítéseket igényel. Ugyancsak hiányzik egy egységes és jövőbiztos anyagplatform a gazdaságilag életképes kvantumrendszerek megvalósításához, amely alapvető előrelépéseket tenne a miniaturizálás, a teljesítmény növelése és a költségcsökkentés terén.

Robusztus, csatlakoztatható, kvantumképes: a szilíciumkarbid mint kvantumkulcsanyag

A különleges fizikai tulajdonságai miatt a szilíciumkarbid (SiC) félvezető anyag ígéretes technológiai platformot kínál szilárdtest kvantumrendszerekhez. Az SiC egy szélessávú sávszélességű (angolul Wide-Bandgap, röviden WBG) félvezető, és az elmúlt években különösen a teljesítmény-elektronikában vált ismertté. Az SiC különösen vonzó a fotonikus mikrorendszerek és fotonikus integrált áramkörök (angolul Photonic Integrated Circuits, röviden PIC-ek) fejlesztésében, mivel ebben az anyagban optikai elemek, fényforrások és szenzorok egyaránt előállíthatók. Emellett az SiC érdekes nemlineáris optikai hatások szempontjából is, amelyekkel például a lézerfény színét lehet megváltoztatni, vagy infravörös fényt nagyon hatékonyan lehet látható fényre alakítani. Az atomdefektusok, úgynevezett színközpontok integrációjának lehetőségével, amelyek a szobahőmérsékleten működnek, az SiC perspektivikus módon lehetővé teszi a kvantumfunkcionalitás közvetlen beépítését is. „Ezért a szilíciumkarbid egy mindenre jó anyag a fotonikában, elektronikában és kvantumalkalmazásokban” – magyarázza Dr. Pascal Del’Haye, aki a projekt résztvevője a Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts-nél.

Az SiC-ben minden olyan elem megjeleníthető, amely a hatékony, miniaturizált kvantumrendszerek felépítéséhez szükséges. Csatlakoztatható mind a mikroelektronikához, mind a mikrofotonikához, és teljesen új kvantelektronikus funkciókat kínál. Mivel az SiC kompatibilis a jól kezelhető CMOS-folyamatokkal a hagyományos szilíciumtechnológiában, kiválóan alkalmas a kvantum-PIC-ek ipari tömeggyártására.

A mikrofotonikus elemek első optimalizálása az út a SiC kvantumchiphez

A kvantumoptikai chip felé vezető hosszú út áll előttünk, és a kutatás még inkább gyerekcipőben jár ezen a területen. A PIC-ek felépítéséhez elsőként szabványos mikrofotonikus elemekre van szükség, amelyek minimális optikai veszteséggel működnek. Lényegesek ebben a fényvezetők és gyűrűrezonátorok, amelyek hatékonyan vezetik vagy tárolják a fényt a legkisebb struktúrákban. Míg a fényvezetők a veszteségmentes optikai vezetékek funkcióját töltik be, a rezonátorok apró gyűrűkből állnak, amelyekben a bemenő fény akár egymillió fordulatot is tehet. Ezek a foton tárolási időket lehetővé teszik, hogy magas körforgó optikai teljesítmény mellett töltsék fel ezeket az elemeket, ezáltal számos nemlineáris optikai hatás valósulhat meg. Így például a mikrorezonátorok képesek a fény hullámhosszát egy adott optikai frekvenciatartományba, vagyis egy több diszkrét frekvenciából álló fényforrássá alakítani, amit például gyors párhuzamos adatátvitelhez használnak a telekommunikációs hálózatokban.

Egy másik hasznos hatás a ellentétes irányú fény kölcsönhatása. Az ellentétes irányú fény nemlineáris optikai összekapcsolása gyűrűrezonátorokban spontán szimmetria-megszakításhoz vezet, amely csak egy irányban, az óra járásával megegyező vagy ellentétes irányban engedi a fény cirkulációját. Ez például lehetővé teszi chipbe integrált optikai diódák, fotonikus kapcsolók vagy optikai szenzorok megvalósítását, amelyek összetettebb fotonikus rendszerek kialakítását teszik lehetővé.

Azonban a SiC aljzaton gyártott fotonikus elemek minősége még nem ideális, és a viszonylag magas felületi egyenetlenség optikai veszteséget okoz a waveguide-okban és rezonátorokban. Annak érdekében, hogy a fotonok gyorsan mozogjanak és ne tunnelláljanak ki, hibátlan felületekre van szükség. Egy ígéretes megoldási javaslat az atomréteges felületi simítás (angolul Atomic Layer Etching, röviden ALE), amely lehetővé teszi jól elkülönülő határoló felületek kialakítását, minimalizálva a veszteség- és szórásterületeket.

Híd a alapkutatás és a folyamatfejlesztés között az ALP-4-SiC projektben

Ahhoz, hogy egy új típusú gyártási folyamatot fejlesszünk komplex fotonikus elemekhez szilíciumkarbid alapokon, az alapkutatásnak és az alkalmazásorientált kutatásnak szorosan együtt kell működnie. A ALP-4-SiC projektben az MPL Erlangenből és a Fraunhofer IISB a Freibergben található Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien (THM) közösen egyesítik szakértelmüket. Az MPL széles körű tapasztalatokkal rendelkezik a fotonikus elemek tervezésében és jellemzésében, míg az IISB szakértelmét a SiC-szilárdtest-technológia és atomréteges feldolgozás területén kamatoztatja.

Az atomréteges alapú folyamatok integrálásának új megközelítése, mely jelentősen javítja a fotonikus elemek optikai tulajdonságait, nagy potenciállal bír a jövőbeli integrált fotonikus elemek kereskedelmi alkalmazásában. Középtávon különösen az ALE-folyamatokat gyártó cégek találhatnak új ügyfélkört, míg a fotonikus szolgáltatók innovatív termékekkel pozícionálhatják magukat egy gyorsan növekvő piacon. A hosszú távú hatások, amelyek a univerzális, gyakorlatias és skálázható technológiai platform elérhetőségéből adódnak az integrált kvantumfotonikai áramkörök számára SiC-n alapulva, ma még nem jósolhatók meg.

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

A Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) széles kutatási spektrumot fed le, többek között nemlineáris optika, kvantumoptika, nanofotonika, fotonikus kristálygyűrűk, optomechanika, kvantumtechnológiák, biofizika, valamint – a Max-Planck Központtal együttműködve a fizika és orvostudomány területén – a fizika és az orvostudomány közötti összeköttetések kutatását. Az MPL 2009 januárjában alakult, és az egyik több mint 80 intézet közül, amelyek a Max-Planck Társaság tagjai, alapkutatásokat végeznek a természettudományok, biotudományok, bölcsészettudományok és társadalomtudományok területén az általános közjó érdekében.

Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM

A Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM Freibergben, Szászországban található, és a Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB és a Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS kutató- és transzferplatformja. Együtt viszik át az új alkalmazásokba a félvezető- és energiamaterialokat, miközben figyelembe veszik és fejlesztik az anyag újrahasznosítását is. A THM fő kutatási területei közé tartozik a fenntartható akkumulátor-rendszerek elemzése és fejlesztése, javított ökológiai lábnyommal és nyersanyag-elérhetőséggel, valamint innovatív félvezető elemek és a hozzájuk tartozó folyamatlépések kutatása és értékelése.

Támogatási figyelemfelhívás

A ALP-4-SiC – Atomréteges feldolgozás SiC-hez fotonika és kvantumkommunikációs alkalmazásokhoz – projekt támogatást kap a Szövetségi Kutatási, Technológiai és Űrkutatási Minisztérium (BMFTR) „Tudományos Előprojektek” (WiVoPro) programján keresztül. A BMFTR által finanszírozott projektek tudományos kérdéseket vizsgálnak a jövőbeli ipari alkalmazások szempontjából. Két kutatóintézet is végezheti őket, és céljuk a alapkutatás és az ipar által vezetett konzorciumfinanszírozás közötti rés összekötése.