Высокоэффективные решетчатые коммутационные элементы для вертикального связания в технологии тонкопленочного нитрида кремния

Световые магистрали на чипе

Наши телефоны, дата‑центры и научные приборы всё чаще используют свет вместо электричества для передачи информации. Но чтобы применять свет на крошечном чипе, нужна эффективная «въездная дорога», которая передаёт свет из стандартного оптического волокна в микроскопические волноводы, вытесанные на чипе. В этой статье представлен новый тип такой «дороги», который особенно хорошо работает для многообещающей системы материалов — тонкопленочного нитрида кремния, приближая потери при связи волокно‑чип к уровням, необходимым для будущих сверхбыстрых и энергосберегающих фотонных схем.

Почему загрузка и выгрузка света с чипа сложна

Интегрированные фотонные схемы направляют свет по тончайшим дорожкам на чипе для задач вроде сенсинга, связи и даже квантовых экспериментов. Хотя эти волноводы могут проводить свет с чрезвычайно малыми потерями, связь их с внешним миром удивительно затруднена. Стандартные оптические волокна имеют относительно широкую, «мягкую» пространственную форму поля, тогда как волноводы на чипе сильно сжимают свет. Если формы и направления этих полей плохо совпадают, большая часть света отражается или теряется — как попытка перелить воду из широкой шланги в узкую трубу при плохом сопряжении. Решетчатые коммутационные элементы — крошечные периодические структуры на поверхности чипа — действуют как точно настроенные дифракционные решетки, перенаправляя свет между вертикальным волокном и горизонтальным волноводом, но сделать их одновременно эффективными и простыми в производстве было серьёзной задачей.

Преимущества и проблема тонкопленочного нитрида кремния

Нитрид кремния стал ключевым материалом в интегрированной фотонике, поскольку он способен проводить свет с очень малыми потерями в широком диапазоне длин волн. В тонкопленочных вариантах, где направляющий слой имеет толщину от десятков до сотен нанометров, исследователи демонстрировали волноводы с потерями порядка долей децибела на метр — настолько малыми, что свет может циркулировать миллионы раз в микроскопических резонаторах. Однако такая тонкая геометрия также означает слабую локализацию света в сердцевине, что значительно ослабляет взаимодействие направляемого света с любыми решётками на поверхности. В результате стандартные решетчатые коммутационные элементы в тонкопленочном нитриде кремния обычно неэффективны, если не добавлять дополнительные слои, такие как металлические отражатели или покрытия с высоким показателем преломления, что усложняет изготовление и делает устройства чувствительными к мелким технологическим отклонениям.

Новая двухслойная «въездная дорога» для света

Авторы решают эту проблему, наслоив тщательно спроектированный слой обогащённого кремнием нитрида кремния — по сути более плотную, с повышенным показателем преломления версию того же материала — поверх тонкого волновода из нитрида кремния, разделённый тонким стеклянным прослоем. Только верхний слой формуют в решётку; базовый волновод остаётся нетронутым, что облегчает точное совмещение при нескольких этапах травления. Постепенно меняя как ширину зубцов решётки, так и расстояние между ними вдоль длины устройства, они регулируют степень рассеяния света в каждой секции. Такая стратегия аподизации и «чирпинга» позволяет управляемо извлекать или вводить свет так, чтобы выходной профиль поля максимально соответствовал гладкому, почти гауссовскому профилю стандартного одномодового волокна, при этом большая часть света направляется вверх к волокну, а не вниз в подложку.

От компьютерного дизайна до реальных устройств

Чтобы найти оптимальную геометрию, команда использовала подробные трёхмерные моделирования, отслеживающие распространение света в многослойной структуре. Автоматизированный алгоритм оптимизации варьировал ключевые параметры, такие как толщины слоёв, начальный период решётки и скорости изменения коэффициента заполнения и периода вдоль структуры. Окончательный дизайн использует двадцать периодов решётки и относительно толстый верхний слой обогащённого кремнием нитрида, который оказался более устойчивым к ошибкам в технологическом процессе, чем тонкая альтернатива с введением кремния. Исследования чувствительности показали, что новая конструкция сохраняет высокую производительность даже при умеренных отклонениях реальных толщин пленок или размеров решётки от идеальных значений — важное требование для серийного производства с использованием стандартной глубоко‑ультрафиолетовой литографии.

Рекордная производительность в конфигурации с вертикальным входом

После изготовления устройств на 200‑миллиметровых подложках исследователи измерили, сколько света передаётся из вертикально установленных стандартных оптических волокон в чиповый волновод и обратно через второй идентичный грейтинг. Учитывая потери в соединительном волноводе, они определили эффективность одного решетчатого элемента. На длине волны около 1550 нанометров — рабочей полосы для телекоммуникаций — новый коммутационный элемент достигает рекордно малого затухания примерно 1,8 децибела на интерфейс и сохраняет характеристики в пределах 1 децибела на полосе порядка 31 нанометра. Важно, что это достигнуто без металлического заднего отражателя, индекс‑согласующего раствора или наклона волокна; волокно направлено строго вниз на чип, что значительно упрощает упаковку и тестирование на уровне ваферов.

Что это означает для будущих фотонных чипов

Для неспециалиста эти числа обозначают, что значительно больше света, запущенного из волокна, действительно попадает в чип и обратно по сравнению с предыдущими платформами на тонкопленочном нитриде кремния. Улучшенные входы и выходы уменьшают суммарные потери, снижают требования к мощности и упрощают тестирование и упаковку фотонных чипов в реальных продуктах. Поскольку свойства обогащённого кремнием нитрида можно настраивать при осаждении, та же концепция проектирования применима к разным толщинам волноводов и даже к другим материалам. По сути, работа демонстрирует практичный и технологически удобный путь к высокоэффективным интерфейсам волокно‑чип, приближая низкопотерянные фотонные схемы к широкому использованию в области связи, сенсинга и развивающихся квантовых технологий.

Цитирование: 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

Ключевые слова: интегрированная фотоника, нитрид кремния, решетчатый коммутационный элемент, связывание волокно‑чип, фотонные схемы