Модуляторы на тонкоплёночном литий-таиланате высокой производительности на основе медного дамасцена

Почему важны более быстрые оптические чипы

Каждый видеозвонок, облачная игра или запрос к ИИ зависят от преобразования электрических сигналов в свет и обратно, когда данные проходят по оптическим волокнам. Компоненты, которые выполняют это преобразование — оптические модуляторы — во многом определяют, насколько быстрыми и энергоэффективными могут быть наши сети и компьютеры. В этой статье рассмотрен новый способ изготовления таких модуляторов, который обеспечивает очень высокую скорость, выдерживает сильную оптическую мощность и может производиться с использованием тех же медных процессов, что уже приняты в современной микроэлектронике.

Преобразование электричества в свет на чипе

Оптические модуляторы располагаются на границе между электронной «мозговой» частью устройства и оптическими волокнами, которые передают информацию на расстояние. Во многих современных высокопроизводительных системах эти модуляторы делают из специальных кристаллов, таких как ниобат лития или танталат лития, которые меняют показатель преломления под действием электрического поля. Недавние достижения позволили превратить эти кристаллы в тонкие плёнки на подложке, что даёт возможность тесно направлять свет по миниатюрным путям — волноводам — и обеспечивает гораздо более быструю работу при малой занимаемой площади. Однако металлические проводники, которые подводят электрические сигналы к этим крошечным структурам, отстали в развитии.

Почему медные проводники важны

Традиционные модуляторы часто используют золотые электроды: их легко изготовить, но они не оптимальны для ультравысокочастотных сигналов, требуемых в современных дата‑центрах и аппаратуре для ИИ. Когда электрические токи колеблются с частотой в десятки миллиардов раз в секунду, они скапливаются у краёв узких металлических линий, что увеличивает сопротивление и потери энергии. У меди значительно более низкая удельная электрическая сопротивляемость по сравнению с золотом, то есть она меньше рассеивает сигнал в виде тепла. Важно и то, что медь уже является основным рабочим металлом в массовой микроэлектронике и используется в так называемом дамасценовом процессе: в изоляционном слое травят канавки, заполняют их медью и полируют поверхность до плоского состояния. Авторы работы пришли к идее применить этот промышленный медный процесс к модуляторам на тонкоплёночном танталате лития — это позволяет уменьшить электрические потери и значительно упростить плотную интеграцию фотоники с электроникой.

Как строили новые оптические модуляторы

Команда начала с коммерческих тонкоплёночных пластин танталата лития и протравила в них миниатюрные волноводы, которые удерживают свет. Затем применили дамасценовый технологический цикл: сформировали мелкие каналы в оксидном слое над этими волноводами, покрыли их медным посевным слоем, провели электроосаждение для формирования толстых медных линий и в конце спланаризовали поверхность химико‑механической полировкой. В результате получились гладкие, встраиваемые медные электроды, расположенные близко к оптическим путям и одновременно заполированные в уровень с окружающим материалом. Такая плоскость важна: она позволяет в будущем выполнять «чип‑на‑чип» или «чип‑на‑подложку» бондинг, когда силовая электроника может быть смонтирована прямо над модуляторами с использованием новых медь‑к‑меди бондов.

Что показали измерения

Тщательные электрические тесты показали, что медные линии имеют примерно на 20% меньшую удельную сопротивляемость по сравнению с сопоставимыми тонкоплёночными золотыми, чему отчасти способствует естественный самоотжиг, улучшающий внутреннюю структуру меди со временем. В роли высокочастотных линий передачи эти электроды уменьшают микроволновые потери примерно на 10% по сравнению с золотом, при этом другие параметры, такие как скорость сигнала и импеданс, по существу не меняются. Интегрированные в модуляторы типа Маха–Цендера — устройства, которые разделяют свет на два пути, создают управляемую фазовую разницу и затем снова объединяют пучки — медные проводники демонстрируют впечатляющие характеристики. Модуляторы обеспечивают низкие управляющие напряжения, широкую полосу до 100 гигагерц и стабильную работу в широком диапазоне частот и оптических мощностей. Долговременные испытания показывают, что рабочая точка дрейфует менее чем на полдБ за 15 часов, что минимизирует потребность в постоянной электронной подстройке.

Увеличение скоростей передачи данных для сетей будущего

Чтобы продемонстрировать практическую работоспособность устройств, исследователи использовали свои медные модуляторы для передачи сложных многорівневых оптических сигналов PAM4 и PAM8 на символных скоростях до 208 гигабауд. С учётом стандартных методов коррекции ошибок им удалось получить чистые скорости передачи, превышающие 400 гигабит в секунду через один модулятор, сопоставимые с лучшими результатами для тонкоплёночного ниобата лития, описанными до сих пор. Важно, что в некоторых тестах ограничивающим фактором выступало доступное электронное драйверное оборудование, а не сам модулятор, что указывает на наличный запас производительности у устройств.

Что это означает для повседневных технологий

Проще говоря, эта работа показывает, что те же методы медной разводки, которые применяются при создании передовых компьютерных чипов, можно использовать и для изготовления высококлассных оптических модуляторов на танталате лития. Снижение электрических потерь, сохранение точного управления светом и предоставление плоской поверхности, готовой для бондирования, открывают практический путь к плотной совместной упаковке оптики и электроники — когда оптические компоненты располагаются в нескольких микрометрах от процессоров и памяти. Такая интеграция может помочь будущим дата‑центрам, сетям связи и ускорителям ИИ передавать информацию быстрее, с меньшим энергопотреблением и на меньшей площади, чем это возможно сегодня.

Цитирование: Lin, M., Li, Z., Kotz, A. et al. Copper damascene process-based high-performance thin-film lithium tantalate modulators. Nat Commun 17, 3211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69588-6

Ключевые слова: электро-оптические модуляторы, медный дамасцен, тонкоплёночный литий-таиланат, совместная упаковка оптики и электроники, оптические интерконнекты высокой скорости