موصلات شبكية عالية الكفاءة للوصل العمودي في تكنولوجيا نتريد السيليكون ذات الأغشية الرقيقة

طرق سريعة للضوء على رقاقة

تتجه هواتفنا ومراكز البيانات والأدوات العلمية بشكل متزايد لاستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء لنقل المعلومات. لكن لاستخدام الضوء على رقاقة دقيقة، نحتاج إلى «ممر» فعال ينقل الضوء من ليف بصري قياسي إلى دليل موجي مجهري محفور على الرقاقة. تورد هذه الورقة نوعًا جديدًا من الممرات يعمل بشكل جيد بصورة خاصة لنظام المواد الواعد المسمى نتريد السيليكون ذو الأغشية الرقيقة، مما يقلص خسائر الربط من الألياف إلى الرقاقة نحو المستويات المطلوبة للدوائر الفوتونية المستقبلية فائقة السرعة وذات الطاقة المنخفضة.

لماذا يصعب إدخال وإخراج الضوء من الرقاقة

توجّه الدوائر الفوتونية المتكاملة الضوء عبر مسارات دقيقة للغاية على الرقاقة لأداء مهام مثل الاستشعار والاتصالات وحتى التجارب الكمومية. وعلى الرغم من أن هذه الأدلة الموجية يمكنها حمل الضوء بخسارة منخفضة جدًا، فإن ربطها بالعالم الخارجي أمر صعب بشكل مدهش. فالألياف البصرية القياسية تمتلك نمطًا ضوئيًا نسبيًا واسعًا وناعمًا، بينما تحصر دلائل الرقاقة الضوء بإحكام شديد. وإذا لم تتطابق أشكال واتجاهات هذه الأنماط الضوئية جيدًا، فإن معظم الضوء ينعكس أو يضيع، مثل محاولة دفع ماء من خرطوم عريض إلى أنبوب ضيق بوصلة غير مناسبة. تعمل الموصلات الشبكية — هياكل دورية دقيقة على سطح الرقاقة — كشبكات حيود مضبوطة تعيد توجيه الضوء بين الليف العمودي والدليل الأفقي، لكن جعلها فعالة وسهلة التصنيع كان تحديًا كبيرًا.

الوعد ومشكلة نتريد السيليكون ذو الأغشية الرقيقة

أصبح نتريد السيليكون مادة متميزة في الفوتونيات المتكاملة لأنه يمكنه توجيه الضوء بخسارة منخفضة للغاية عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية. في النسخ ذات الأغشية الرقيقة، حيث تكون طبقة الإرشاد بسماكة عشرات إلى مئات النانومترات، أظهر الباحثون دلائل موجية بخسائر تصل إلى جزء من ديسيبل لكل متر — خسارة منخفضة جدًا بحيث يمكن للضوء أن يدور ملايين المرات في رنانات مجهرية. إلا أن هذا التصميم الرقيق يجعل الضوء محصورًا بشكل ضعيف في النواة، مما يضعف كثيرًا التفاعل بين الضوء الموجه وأي شبكة على السطح. ونتيجة لذلك، تميل الموصلات الشبكية القياسية في نتريد السيليكون ذي الأغشية الرقيقة إلى أن تكون غير فعالة ما لم يُضف إليها طبقات إضافية مثل مرايا معدنية أو طبقات عالية العتبة، وهو ما يعقّد التصنيع ويجعل الأجهزة حساسة لأخطاء عملية صغيرة.

ممر ضوئي جديد مكوَّن من طبقتين

يعالج المؤلفون هذه المشكلة بوضع طبقة مشغّلة بعناية من نتريد السيليكون الغني بالسيليكون — جوهرًا نسخة أكثر كثافة وذات معامل انكسار أعلى من نفس المادة — فوق دليل السيليكون النحيف، مفصولة بفاصل زجاجي رقيق. تُشكَّل الطبقة العلوية فقط على هيئة شبكة؛ بينما يبقى الدليل الأساسي دون تغيير، مما يخفف متطلبات المحاذاة بين خطوات النقش المتعددة. عن طريق تغيير عرض أسنان الشبكة وتباعدها تدريجيًا على طول الجهاز، يتحكمون في مدى قذف كل مقطع للضوء. تتيح هذه الاستراتيجية — المتمثلة بالتدرُّج في الكثافة (apodization) وتغيير التردد (chirping) — استخراج أو حقن الضوء بطريقة محكمة بحيث يتطابق الملف الموجي الخارج تقريبًا مع الملف الأملس الشبيه بجاماوسي للألياف أحادية النمط القياسية، مع توجيه معظم الضوء لأعلى باتجاه الليف بدلاً من نزوله إلى الركيزة.

من التصميم الحاسوبي إلى الأجهزة الحقيقية

للعثور على أفضل هندسية، استخدم الفريق محاكاة ثلاثية الأبعاد مفصّلة تتبع كيفية انتشار الضوء عبر البنية الطبقية. غير خوارزمية تحسين مؤتمتة معلمات رئيسية مثل سماكات الطبقات، وفترة الشبكة الأولى، ومعدلات تغير نسبة الشغل والفترة على طول البنية. يستخدم التصميم النهائي عشرين فترة شبكية وطبقة علوية من نتريد السيليكون الغني سميكة نسبيًا، والتي تبيّن أنها أكثر تسامحًا مع أخطاء التصنيع مقارنةً ببديل أنحف محمّل بالسيليكون. أظهرت دراسات الحساسية أن التصميم الجديد يحافظ على أداء عالٍ حتى إذا انحرفت السماكات الفعلية للأغشية أو أبعاد الشبكة بشكل معتدل عن القيم المثالية، وهو مطلب مهم للإنتاج الكمي مع أدوات الطباعة العميقة فوق البنفسجية القياسية.

أداء قياسي في تكوين عمودي مباشر

بعد تصنيع الأجهزة على رقائق بقطر 200 مليميتر، قاس الباحثون كمية الضوء المنقولة من ليف بصري قياسي موضوع عموديًا إلى الدليل على الرقاقة والخارج مرة أخرى عبر شبكة ثانية مطابقة. وبأخذ خسائر الدليل الموصل بالاعتبار، استخلصوا كفاءة شبكة واحدة. عند طول موجي يقارب 1550 نانومتر — نطاق العمل الرئيس للاتصالات — يحقق الموصّل الجديد خسارة منخفضة قياسية تقدر بحوالي 1.8 ديسيبل لكل واجهة، ويحافظ على الأداء ضمن ديسيبل واحد على مدى عرض طيفي يقارب 31 نانومترًا. ومن الملحوظ أن هذا تحقق دون أي عاكس خلفي معدني أو سائل مطابقة معامل الانكسار أو ليف مائل؛ فالليف يشير مباشرةً إلى أسفل على الرقاقة، مما يبسط التغليف والاختبار على مستوى الرقائق بشكل كبير.

ماذا يعني هذا لرقاقات الفوتونيات المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصص، تعني هذه الأرقام أن قدرًا أكبر بكثير من الضوء المنطلق من ليف يدخل فعليًا إلى الرقاقة، والعكس صحيح، مقارنة بالمنصات السابقة من نتريد السيليكون ذا الأغشية الرقيقة. تقلل ممرات الدخول والخروج الأفضل الخسائر الإجمالية، وتخفف متطلبات الطاقة، وتبسط كيفية اختبار وتجهيز الرقائق الفوتونية في المنتجات الحقيقية. وبما أن خصائص طبقة النيتريد الغني بالسيليكون يمكن ضبطها أثناء الترسيب، يمكن تطبيق نفس فلسفة التصميم على سماكات دلائل مختلفة وحتى أنظمة مواد أخرى. في جوهرها، تبيّن هذه العمل مسارًا عمليًا وملائمًا للتصنيع لواجهات فعالة جدًا بين الألياف والرقاقة، مما يقرب الدوائر الفوتونية منخفضة الخسارة خطوة أقرب إلى الاستخدام الواسع في الاتصالات والاستشعار والتقنيات الكمومية الناشئة.

الاستشهاد: di Croce, F., Vitali, V., Domínguez Bucio, T. et al. High-efficiency grating couplers for vertical coupling in thin-film silicon nitride technology. Sci Rep 16, 12880 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44998-0

الكلمات المفتاحية: الفوتونيات المتكاملة, نتريد السيليكون, موصل شبكي, الربط من الألياف إلى الرقاقة, الدوائر الفوتونية