Локализованное отложение углерода позволяет подгонять фотонные интегрированные схемы

Уточнение путей света на чипе

Чипы, работающие со светом, обещают более быстрые каналы передачи данных и мощные оптические вычислители, но их трудно изготовить идеально. Крошечные дефекты, невидимые невооружённым глазом, могут сбивать свет с курса и ухудшать характеристики. В этом исследовании показано, как нанесение микроскопических участков углерода на чип с помощью сфокусированного ионного пучка может мягко «перенастроить» эти оптические траектории после изготовления, помогая будущему коммуникационному и вычислительному оборудованию работать ближе к проектным характеристикам.

Почему оптическим схемам нужны аккуратные доработки

Фотонные интегрированные схемы — это чипы, направляющие и обрабатывающие свет вместо электрических токов. Они играют ключевую роль в волоконных интернет‑связях, появляющихся квантовых компьютерах и оптических ускорителях для искусственного интеллекта. Их работа зависит от тщательно сформированных волноводов, которые направляют определённые световые моды. Однако даже небольшие отклонения в ширине или расстоянии, появляющиеся при массовом производстве, могут смещать поведение света, и эти мелкие ошибки накапливаются по мере усложнения чипов. Поэтому инженеры используют методы «подгонки», применяемые после изготовления, чтобы вернуть устройства в нужную настройку без перепроизводства всего чипа.

Добавление углерода в роли локального регулятора

Авторы исследуют стратегию подгонки, которая использует сфокусированный ионный пучок для разложения углеродсодержащего газа непосредственно там, где он попадает на поверхность чипа. Это откладывает узкую полосу алмазоподобного аморфного углерода с нанометровой точностью, причём при комнатной температуре. Добавленный слой слегка меняет, как свет воспринимает подлежащий волновод: его эффективный показатель преломления увеличивается, что сдвигает то, как световые моды преобразуются и интерферируют. Поскольку процесс касается только поверхности и оставляет ядро несущего материал нетронутым, он избегает более радикальных изменений, вызываемых методами, повреждающими или плавящими сам волновод.

Тестирование метода на чувствительных расщепителях света

Чтобы проверить подход, команда использовала асимметричные направленные ответвители — тип on‑chip делителя, который преобразует свет из простой моды в более сложную и обратно. Эти устройства особенно чувствительны к производственным ошибкам, поскольку полагаются на точное совпадение различных световых мод. Преднамеренно сместив один волновод немного от его идеальной формы, исследователи создали ответвители с дополнительными потерями. Затем они наносили углеродные линии на узкий волновод и измеряли изменения пропускания. Эксперименты и моделирование показали, что тщательно подобранная геометрия углерода может восстановить потерянный баланс, сократив вставные потери с нескольких децибелов до значительно менее 1 дБ для некоторых устройств и обеспечивая шаги настройки примерно от 1.5 до более чем 16 дБ по набору образцов.

Сохранение низких потерь и стабильности работы

Любой дополнительный материал на оптическом пути может вносить поглощение, поэтому команда оценивала, какую цену платит система за углерод. Простые тестовые волноводы и интерферометры показали, что углеродный слой добавляет около 76 дБ потерь на сантиметр, но в коротких отремонтированных регионах, используемых здесь, это выражается всего примерно в 0.3–0.35 дБ для стандартного сдвига фазы, что сопоставимо с признанными методами невозвратной подгонки. Электронная микроскопия и спектроскопия подтвердили, что углерод и галлий от ионного пучка остаются ограниченными тонким отложенным слоем, без выявляемых изменений в подлежашем кремнийнитридном волноводе. Тепловые испытания показали, что производительность подгонки остаётся практически неизменной до примерно 250 °C, а длительные измерения выявили, что оптическая характеристика устаканивается после короткого начального дрейфа и затем остаётся стабильной в течение недель.

От отдельных устройств к сложным оптическим процессорам

Поскольку сфокусированный ионный пучок может «рисовать» углеродные узоры без каких‑либо литографических масок, этот метод гибок и хорошо подходит для настройки в рамках исследовательских задач. Авторы демонстрируют его полезность, улучшая поведение более сложных структур, включая интерферометры Мака‑Цендера и фотонные кроссбары, используемые для умножения матриц на векторы в оптических ускорителях ИИ. В этих схемах подогнанные ответвители объединяют сигналы, несомые в разных пространственных модах, с гораздо меньшими потерями, более эффективно используя доступный свет.

Что это значит для будущих оптических чипов

Проще говоря, эта работа предлагает точный и энергоэффективный способ «подправить» оптические схемы после их изготовления, нанося крошечные углеродные штрихи там, где это нужно. Она ещё не заменяет промышленные процессы на заводском уровне, но показывает, что поверхностные углеродные патчи могут точно настраивать критические компоненты, не повреждая ядро чипа и при умеренных дополнительных потерях. По мере того как фотонные чипы становятся больше и сложнее, такие локализованные инструменты подгонки могут стать важны для превращения почти правильных устройств в полностью работоспособные, особенно в экспериментальных платформах, расширяющих границы оптических вычислений и связи.

Цитирование: Xu, R., Tang, Z., McRae, L. et al. Localized carbon deposition enables trimming of photonic integrated circuits. Nat Commun 17, 4562 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73411-7

Ключевые слова: фотонные интегрированные схемы, сфокусированный ионный пучок, отложение углерода, оптическая подгонка, асимметричные направленные ответвители