Mikrofotonik spotyka się z mikroelektronik�

Pracownik pomieszczenia czystego w Fraunhofer THM podczas wkładania wafla do komory transferowej systemu depozytowego / plazmowego do strukturyzacji metodą napylenia warstw atomowych. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Optyczny pierścień rezonansowy o średnicy 200 μm na podłożu SiC. © Pascal Del’Haye / MPL

Przekrój struktury fotonicznej w węgliku krzemu (SiC na izolatorze, SiCOI). © Pascal Del’Haye / MPL

Silicium karbid (SiC) jest obiecującym materiałem systemowym dla fotonicznych układów scalonych (PICs) oraz zminiaturyzowanych układów kwantowych ciała stałego. W projekcie ALP-4-SiC – Atomlagenprozessierung für SiC für Anwendungen in der Photonik und Quantenkommunikation – naukowcy z Instytutu Maxa Plancka ds. Fizycznego Światła (MPL) oraz Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB wspólnie opracowują technologie bazowe do produkcji wysoce wydajnych fotonicznych układów scalonych. Na przykładzie światłowodów i rezonatorów pierścieniowych demonstruje się, jak za pomocą atomlagenprozessierung (ALP) można znacząco poprawić właściwości optyczne elementów fotonicznych z SiC. ALP-4-SiC jest w 100 % finansowany przez Federalne Ministerstwo Nauki, Technologii i Lotnictwa (BMFTR) w ramach programu „Wissenschaftliche Vorprojekte” (WiVoPro).

Jesteś gwiazdą na tle przyszłościowych technologii: systemów kwantowych. Zwłaszcza duże firmy high-tech i inwestorzy instytucjonalni na całym świecie rozpoczęli prawdziwy wyścig, aby przenieść zjawiska mechaniki kwantowej z laboratoriów badawczych do szerszego zastosowania praktycznego. Szczególnie w przetwarzaniu informacji, sensorystyce i komunikacji już dziś widać przemiany, które na trwałe zmienią całe gałęzie gospodarki i społeczeństwa.

Z technologicznego punktu widzenia systemy kwantowe można najłatwiej opisać jako połączenie fizyki kwantowej, fotoniki i elektroniki. Najpopularniejszym przykładem jest z pewnością komputer kwantowy. Obecne systemy kwantowe jeszcze przypominają skomplikowane laboratoria optoelektroniczne, a do generowania, manipulowania i przetwarzania stanów kwantowych konieczne są ogromne nakłady techniczne. Oprócz złożoności i rozmiaru, ograniczeniem jest również konieczność chłodzenia, ponieważ wiele dostępnych obecnie rozwiązań działa dopiero w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu.

Integracja technologii kwantowych w produkty i usługi gotowe do rynku wymaga jeszcze znacznych wysiłków w zakresie badań i rozwoju kluczowych technologii bazowych. Brakuje także jednolitej i przyszłościowej platformy materiałowej, która umożliwiłaby fundamentalny postęp w miniaturyzacji, zwiększaniu wydajności i obniżaniu kosztów systemów kwantowych.

Solidny, kompatybilny, kwantowy: krzemowe karbid jako kluczowy materiał kwantowy

Z powodu swoich wyjątkowych właściwości fizycznych półprzewodnikowy materiał krzemowe karbid (SiC) stanowi obiecującą platformę technologiczną dla układów kwantowych ciała stałego. SiC jest półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej (ang. Wide-Bandgap, WBG) i od kilku lat szczególnie zyskał na znaczeniu w dziedzinie elektroniki mocy. SiC jest również bardzo atrakcyjny do rozwoju mikrosystemów fotonicznych i fotonicznych układów scalonych (ang. Photonic Integrated Circuits, PICs), ponieważ w tym materiale można wytwarzać zarówno elementy optyczne, jak i źródła światła oraz czujniki. Dodatkowo SiC jest interesujący ze względu na nieliniowe efekty optyczne, które pozwalają na zmianę koloru światła laserowego, na przykład na bardzo wydajne przekształcanie światła podczerwonego w widzialne. Dzięki możliwości integracji punktowych defektów w postaci tak zwanych centrów barwnych, które działają do temperatury pokojowej, SiC potencjalnie umożliwia bezpośrednią integrację funkcji kwantowych. „Krzemowe karbid to wszechstronny materiał dla fotoniki, elektroniki i zastosowań kwantowych,” wyjaśnia dr Pascal Del’Haye, kierujący częścią projektu w Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts.

W SiC można zatem odwzorować wszystkie elementy niezbędne do budowy wydajnych, zminiaturyzowanych układów kwantowych. Materiał jest kompatybilny zarówno z mikroelektroniką, jak i mikrofotoniką, a ponadto oferuje zupełnie nowe funkcje elektroniki kwantowej. Ponieważ SiC jest zgodny z dobrze opanowanymi procesami CMOS klasycznej technologii krzemowej, doskonale nadaje się do przemysłowej masowej produkcji kwantowych PIC-ów.

Optymalizacja pierwszych mikrofotonicznych elementów toruje drogę do kwantowego układu SiC

Droga do optoelektronicznego układu kwantowego jest jeszcze długa, a badania w tym zakresie nadal są w fazie początkowej. Do budowy PIC-ów konieczne są najpierw standardowe mikrofotoniczne elementy o minimalnych stratach optycznych. Kluczowe znaczenie mają światłowody i rezonatory pierścieniowe, które mogą efektywnie przewodzić i przechowywać światło w najmniejszych strukturach. Podczas gdy światłowody pełnią funkcję bezstratnych linii optycznych, rezonatory składają się z małych pierścieni, w których światło może krążyć nawet do miliona obiegów. Czas przechowywania fotonów w tych rezonatorach pozwala na ich naładowanie wysokimi zanikami optycznymi, co umożliwia wiele nieliniowych efektów optycznych. Na przykład mikroresonatory mogą przekształcać światło laserowe o określonej długości fali w częstotliwościowy spektrometr optyczny, czyli źródło światła o kilku dyskretnych częstotliwościach, co można wykorzystać do bardzo szybkiej równoległej transmisji danych w sieciach telekomunikacyjnych.

Kolejnym przydatnym efektem jest wzajemne oddziaływanie światła przeciwbiegunowego. Nieliniowe sprzężenie optyczne przeciwbiegunowego światła w rezonatorach pierścieniowych prowadzi do spontanicznego naruszenia symetrii, co pozwala na cyrkulację światła tylko w jednym kierunku, czyli zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Dzięki temu można realizować na przykład zintegrowane na chipie diody optyczne, przełączniki fotoniczne lub czujniki optyczne, które umożliwiają budowę bardziej złożonych systemów fotonicznych.

Jednak jakość elementów fotonicznych wytwarzanych na podłożach SiC nie jest jeszcze optymalna, a relatywnie duża chropowatość powierzchni powoduje straty optyczne w światłowodach i rezonatorach. Aby fotony mogły się szybko poruszać i nie tunelowały na zewnątrz, konieczne są powierzchnie wolne od defektów. Obiecującym rozwiązaniem jest wygładzanie powierzchni elementów za pomocą atomowej etching (ang. Atomic Layer Etching, ALE), które zapewnia precyzyjne oddzielenie powierzchni i minimalizuje straty i centra rozproszenia.

Most między badaniami podstawowymi a rozwojem procesów w projekcie ALP-4-SiC

Aby opracować nowatorski proces produkcji złożonych elementów fotonicznych opartych na krzemowym karbidzie, konieczna jest ścisła współpraca badań podstawowych i badań aplikacyjnych. W projekcie ALP-4-SiC – Atomlagenprozessierung für SiC für Anwendungen in der Photonik und Quantenkommunikation – łączą swoje kompetencje MPL w Erlangen oraz Fraunhofer IISB wraz z jego oddziałem Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM w Freiberg. MPL posiada szerokie doświadczenia w projektowaniu i charakteryzacji elementów fotonicznych, podczas gdy IISB wnosi swoją wiedzę w zakresie technologii półprzewodników SiC i atomowej procesowania warstwowego.

Nowe podejście do integracji atomowych procesów bazowych dla elementów fotonicznych o znacznie ulepszonych właściwościach optycznych ma duży potencjał do przyszłej komercjalizacji zintegrowanych elementów fotonicznych. Średnioterminowo producenci urządzeń do ALE mogą znaleźć nowych klientów, a dostawcy fotoniki mogą pozycjonować się na szybko rozwijającym się rynku z innowacyjnymi produktami. Długoterminowe skutki dostępności uniwersalnej, praktycznej i skalowalnej platformy technologicznej dla zintegrowanych kwantowo-optoelektronicznych układów na bazie SiC są jeszcze trudne do przewidzenia.

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

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) obejmuje szeroki zakres badań, w tym nieliniową optykę, fizykę kwantową, nanofotonikę, fotoniczne włókna kryształowe, optomechanikę, technologie kwantowe, biofizykę oraz – we współpracy z Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin – związki między fizyką a medycyną. MPL zostało założone w styczniu 2009 roku i jest jednym z ponad 80 instytutów Max-Planck-Gesellschaft, które prowadzą badania podstawowe w naukach przyrodniczych, biologicznych, humanistycznych i społecznych na rzecz społeczeństwa.

Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM

Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM w Freibergu, Saksonia, jest platformą badawczą i transferową Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB oraz Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Wspólnie opracowują nowe zastosowania dla materiałów półprzewodnikowych i energetycznych, jednocześnie uwzględniając i rozwijając recykling materiałów. Główne obszary działalności w THM to analiza i rozwój zrównoważonych systemów baterii o lepszej bilansie ekologicznej i dostępności surowców, a także badania i ocena innowacyjnych elementów półprzewodnikowych i związanych z nimi etapów procesów.

Informacja o finansowaniu

Projekt ALP-4-SiC – Atomlagenprozessierung für SiC für Anwendungen in der Photonik und Quantenkommunikation – jest finansowany w ramach programu „Wissenschaftliche Vorprojekte (WiVoPro)” Federalnego Ministerstwa Nauki, Technologii i Lotnictwa (BMFTR). Projekty finansowane przez BMFTR w ramach tego programu badają zagadnienia naukowe z myślą o przyszłych zastosowaniach przemysłowych. Mogą być realizowane przez do dwóch instytucji badawczych i mają na celu wypełnienie luki między badaniami podstawowymi a przemysłowym finansowaniem konsorcjów.