Гетерогенно интегрированные модуляторы на основе ниобата лития на кремнии-нитриде для высокоскоростной связи

Более быстрый интернет на крошечном чипе

Потоковые сервисы, облачные вычисления и искусственный интеллект зависят от передачи колоссальных объёмов информации по оптоволоконным линиям. Однако микроскопические устройства, которые преобразуют электронные бита в вспышки света, испытывают затруднения с ростом требований. В этой работе представлен новый тип чипового «светового переключателя», комбинирующий два разных материала — литийтанталат и кремний нитрид — что позволяет выводить скорость передачи данных в сотни миллиардов бит в секунду при сохранении низких потерь и масштабируемости производства.

Почему нужны новые световые переключатели

Современные коммуникационные сети опираются на фотонные интегральные схемы — крошечные оптические «материнские платы», которые управляют светом вместо электричества. Кремний нитрид — ведущий материал для таких схем, потому что он позволяет свету распространяться по чипу на большие расстояния с очень малыми потерями и выдерживает высокую оптическую мощность. Однако у него есть недостаток: сам по себе кремний нитрид не может эффективно менять интенсивность или фазу света при подаче электрического сигнала, а эта функция необходима для кодирования данных. Чтобы обойти это ограничение, исследователи обращаются к ферроэлектрическим кристаллам, таким как литийтанталат, которые почти мгновенно реагируют на электрические поля за счёт эффекта Поккельса, что обеспечивает ультрабыструю модуляцию света.

Создание гибридной фотонной платформы

Группа разработала технологию на уровне вафлей для прикрепления ультратонкой плёнки литийтанталата напрямую на предварительно изготовленные волноводы из кремний нитрида. Сначала они создают низкопотерянные кремнийнитридные схемы с использованием так называемого дамасского процесса, который даёт гладкие волноводы с сильной концентрацией света. Отдельно готовятся вафли литийтанталата на изоляторе. После тщательной очистки и активации поверхностей два вафля сводят в контакт так, что молекулярные силы обеспечивают соединение, а последующий термический отжиг укрепляет связь. Поддерживающий кремниевый субстрат под литийтанталатом затем удаляют, обнажая тонкий ферроэлектрический слой, точно выровненный над кремнийнитридными волноводами без агрессивного травления, которое могло бы повредить материалы или добавить электрические потери.

Преобразование электричества в ультравысокоскоростные оптические сигналы

На этой гибридной платформе исследователи наносят металлические электроды для создания модуляторов типа Мах–Зендера и более сложных модуляторов в фазе/квадратуре (IQ). В этих приборах свет от лазера проходит по двум путям, интерференция между которыми управляется небольшими изменениями напряжения, приложенного к слою литийтанталата. Модуляторы демонстрируют произведение «напряжение·длина» примерно 4 В·см, что означает сильный модуляционный эффект на всего нескольких миллиметрах длины устройства при умеренных управляющих напряжениях. Их частотная характеристика остаётся ровной до примерно 100 гигагерц, что указывает на способность следовать чрезвычайно быстрым электрическим изменениям. Важно, что гибридные волноводы сохраняют низкие оптические потери — около 14 дБ на метр — а устройства показывают стабильную работу при постоянном смещении с очень малым дрейфом в течение часа, что было проблемой для некоторых ранних ферроэлектрических модуляторов.

Вывод скоростей передачи данных на новый уровень

Чтобы проверить возможности этих модуляторов в реальных коммуникационных условиях, команда передавала сложные оптические сигналы по волокну. Используя одиночный интенсивностный модулятор, управляемый четырёхуровневыми сигналами амплитудной модуляции импульсов, они достигли чистых скоростей передачи данных до 333 гигабит в секунду с учётом реалистичных кодов коррекции ошибок. С IQ-модуляторами, которые управляют как интенсивностью, так и фазой света и являются стандартом для магистральных когерентных систем, были переданы более сложные 16-уровневые сигналы квадратурной амплитудной модуляции. В этих экспериментах были достигнуты линейные скорости до 704 гигабит в секунду и чистые скорости до 581 гигабит в секунду — показатели, сопоставимые или превосходящие многие существующие интегрированные платформы при сохранении низкопотеряной основы кремний нитрида.

Что это означает для будущих сетей

Объединив низкопотерянную, отлаженную технологию производства кремнийнитридных фотонных схем с ультрабыстрой электрооптической реакцией тонкоплёночного литийтанталата, работа предлагает практичный путь к более быстрым и эффективным оптическим каналам связи. Гибридные устройства могут выпускаться на полных вафлях с высокой выходной долей, что делает их привлекательными для массового развертывания. Помимо ускорения магистральных сетей и дата-центров, та же платформа может служить основой компактных преобразователей «микроволна–оптика», прецизионных лазерных систем и сенсоров следующего поколения вроде лидаров. Проще говоря, исследование демонстрирует, как тщательно сконструированный стек материалов может превратить пассивный световодящий чип в активный высокоскоростной двигатель информационной эпохи.

Цитирование: Cai, J., Kotz, A., Larocque, H. et al. Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications. Nat Commun 17, 3314 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69769-3

Ключевые слова: фотонные интегральные схемы, электрооптические модуляторы, кремний нитрид, литийтанталат, высокоскоростная оптическая связь