Упрощённая обработка нитрида алюминия для низкопотерьной интегрированной фотоники и нелинейной оптики

Свет на кристалле — проще

Наши телефоны, интернет и даже будущие квантовые компьютеры всё сильнее полагаются на крошечные цепи, которые направляют свет вместо электричества. В этой статье описан новый, более простой способ изготовления таких светопроводящих цепей из нитрида алюминия — прочного, прозрачного кристаллического материала, который способен эффективно изгибать, смешивать и преобразовывать цвета света. Упрощая процесс производства этих структур, работа приближает передовые оптические технологии к реальным устройствам, делая их дешевле, надёжнее и легче масштабируемыми.

Почему этот кристалл важен

Нитрид алюминия привлекателен для фотонных чипов, потому что сочетает в себе несколько полезных свойств. Он прозрачен в широком диапазоне длин волн — от ультрафиолета до инфракрасного — хорошо проводит тепло и сильно реагирует на свет и электрические поля. Эти свойства позволяют ему преобразовывать один цвет света в другой, быстро модулировать свет для передачи данных и даже обнаруживать инфракрасное излучение. До сих пор полное использование нитрида алюминия на чипах требовало сложных и деликатных этапов изготовления, что замедляло исследования и повышало стоимость.

Проще формовать световые дорожки

Исследователи разработали более чистую и компактную технологию вырезания крошечных кольцевых световых цепей, называемых микрорезонаторами, в нитриде алюминия. Традиционные методы требовали нескольких жёстких защитных слоёв и металлического покрытия, чтобы выдерживать агрессивный травильный процесс и предотвращать электрический заряд при записи рисунка. Напротив, новый подход опирается только на один тонкий слой нитрида кремния в качестве жёсткой маски и временный электрически проводящий полимер поверх фотоотпора. Этот полимер тихо выполняет свою роль при облучении рисунка и затем растворяется в стандартном этапе проявления, поэтому дополнительный процесс удаления не требуется.

От плоской подложки до точного кольца

Исходя из коммерчески выращенной плёнки нитрида алюминия на сапфировом кристалле, команда сначала покрывает поверхность маской из нитрида кремния, затем наносит фотоотпор и проводящий слой. С помощью сфокусированного электронного пучка они записывают требуемые формы колец и волноводов, переносят этот рисунок в маску и затем используют тщательно настроенную плазму на основе хлорсодержащих газов для глубокой травли нитрида алюминия. Благодаря высокой стойкости маски удаётся снять примерно 800 нанометров материала, потребляя лишь небольшую часть толщины маски, достигая селективности травления около четырёх к одному. Микроскопические изображения показывают гладкие, чётко определённые боковые стенки, а моделирование подтверждает, что ультратонкий остаток нитрида кремния сверху не нарушает confinement или дисперсию света внутри колец.

Проверка того, как долго свет циркулирует

Чтобы оценить качество этих крошечных «скачкообразных» дорожек для света, авторы пропускают точно контролируемый лазерный луч через шина-волновод, который связывается с кольцами, и измеряют остроту резонансов. По этим измерениям они вычисляют фактор качества (Q), число, которое показывает, как долго свет может циркулировать до затухания. Их устройства достигают внутренних факторов качества примерно миллиона, что соответствует очень низким потерям при распространении света по кольцу. Они также подтверждают, что кольца работают в режиме дисперсии, благоприятном для образования ультракоротких световых импульсов — солитонов — что важно для многих продвинутых оптических функций.

Преобразование одного цвета в целый спектр

При низких потерях и подходящей дисперсии на том же чипе могут происходить различные нелинейные оптические эффекты, когда интенсивный свет преобразует сам себя и порождает новые цвета. Когда команда прокачивает кольцо мощным инфракрасным светом, оно генерирует равномерно распределённую «гребёнку» частот, пригодную для точного измерения времени и спектроскопии. Они также наблюдают рамановский лазерный эффект, где свет взаимодействует с колебаниями кристаллической решётки, создавая смещённые частоты; генерацию третьей гармоники, которая преобразует инфракрасное в ярко-зелёное свечение; и суперпродолженный спектр (суперконтинуум), когда ультракороткие импульсы расширяются в плавный спектр от видимого до средней инфракрасной области. Эти демонстрации показывают, что упрощённый процесс не уступает в производительности, а напротив — открывает универсальный оптический набор инструментов на одном чипе.

Что это значит в перспективе

Проще говоря, исследователи нашли способ обрабатывать чипы из нитрида алюминия, который одновременно проще и мягче, но при этом даёт исключительно чистые оптические цепи. Этот метод избегает металлических масок и дополнительных термических шагов, при этом обеспечивает долговременное хранение света и богатый набор эффектов преобразования цвета. Поскольку ту же технологию можно расширить на более толстые структуры для работы в средней ИК-области, она прокладывает путь к компактным устройствам, которые охватывают всё — от высокоскоростной связи и точных часов до химического сенсинга и квантовых технологий — построенным на прочной и масштабируемой платформе.

Цитирование: Yan, H., Zhang, S., Pal, A. et al. Simplified aluminum nitride processing for low-loss integrated photonics and nonlinear optics. npj Nanophoton. 3, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00107-7

Ключевые слова: интегрированная фотоника, нитрид алюминия, нелинейная оптика, частотные гребёнки, фотонные чипы