Högpresterande gitterkopplare för vertikal in- och utkoppling i tunnfilms-silikonnitridteknik

Ljusmotorvägar på en chip

Våra telefoner, datacenter och vetenskapliga instrument använder i allt högre grad ljus istället för elektricitet för att förflytta information. Men för att använda ljus på ett mikroskopiskt chip behöver vi en effektiv “påfart” som överför ljus från en standardoptisk fiber till mikroskopiska vågledare etsade på chippet. Denna artikel presenterar en ny typ av påfart som fungerar särskilt väl för ett lovande materialsystem kallat tunnfilms-silikonnitrid och pressar fiber‑till‑chip-kopplingsförluster mot nivåer som krävs för framtida ultrahög‑hastighets, låg‑effekt fotoniska kretsar.

Varför det är svårt att få ljus på och av ett chip

Fotoniska integrerade kretsar styr ljus genom hårtunna banor på ett chip för att utföra uppgifter som sensning, kommunikation och till och med kvantexperiment. Även om dessa vågledare kan leda ljus med extremt låga förluster är det förvånansvärt svårt att koppla dem till omvärlden. Standardoptiska fibrer har ett relativt stort, mjukt ljusfält, medan chipets vågledare håller ljuset mycket tätt. Om formen och riktningen hos dessa ljusfält inte matchar väl, reflekteras eller förloras det mesta av ljuset — ungefär som att försöka pressa vatten från en bred slang in i ett smalt rör med en dålig koppling. Gitterkopplare — små periodiska strukturer på chipets yta — fungerar som finstämda diffraktionsgitter som omdirigerar ljus mellan den vertikala fibern och den horisontella vågledaren, men att göra dem både effektiva och lätta att tillverka har varit en stor utmaning.

Löftet och problemet med tunnfilms-silikonnitrid

Silikonnitrid har blivit ett framstående material inom integrerad fotonik eftersom det kan leda ljus med extremt låga förluster över ett brett våglängdsområde. I tunnfilmsversioner, där den ledande skiktet är endast tiotals till ett par hundra nanometer tjockt, har forskare visat vågledare med förluster så låga som en bråkdel av en decibel per meter — så lågt att ljus kan cirkulera miljontals gånger i mikroskopiska resonatorer. Denna tunna geometri gör dock att ljuset bara svagt begränsas till kärnan, vilket dramatiskt försvagar växelverkan mellan det ledda ljuset och något gitter på ytan. Som ett resultat tenderar standardgitterkopplare i tunnfilms-silikonnitrid att vara ineffektiva om man inte lägger till extra lager som metallreflektorer eller överlagringar med hög brytningsindex, vilket komplicerar tillverkningen och gör enheterna känsliga för små processfel.

En ny tvålagers påfart för ljus

Författarna löser detta problem genom att stapla ett noggrant konstruerat skikt av kiselsrikt (silicon‑rich) silikonnitrid — i huvudsak en tätare, högre‑index version av samma material — ovanpå den tunna silikonnitridvågledaren, separerat av ett tunt glasskikt. Endast topplagret mönstras till ett gitter; den underliggande vågledaren förblir intakt, vilket minskar krav på inpassning mellan flera etsningsteg. Genom att gradvis ändra både bredden på gittertänderna och avståndet mellan dem längs enhetens längd anpassar de hur starkt varje sektion sprider ljus. Denna strategi med “apodisering” och “chirpning” låter gitterkopplaren extrahera eller injicera ljus på ett kontrollerat sätt så att utgående fältprofil nära matchar den mjuka, nästan Gaussiska profilen hos en standard single‑mode fiber, samtidigt som den riktar det mesta av ljuset uppåt mot fibern snarare än nedåt in i substratet.

Från datordesign till verkliga enheter

För att hitta den bästa geometrin använde teamet detaljerade tredimensionella simuleringar som följer hur ljuset propagerar genom den lageruppbyggda strukturen. En automatiserad optimeringsalgoritm varierade nyckelparametrar såsom tjocklekarna på skikten, den första gitterperioden och taktterna med vilka duty‑cycle och period ändras längs strukturen. Slutdesignen använder tjugo gitterperioder och ett relativt tjockt toppskikt av kiselsrikt silikonnitrid, vilket visar sig vara mer förlåtande för tillverkningsfel än ett tunnare, kisel‑laddat alternativ. Känslighetsstudier visade att den nya designen bibehåller hög prestanda även om de faktiska filmtjocklekarna eller gitterdimensionerna avviker måttligt från sina ideala värden, ett viktigt krav för massproduktion med standardverktyg för djup‑ultraviolett litografi.

Rekordprestanda i en rakt‑ned‑konfiguration

Efter att ha tillverkat enheterna på 200‑millimeterskivor mätte forskarna hur mycket ljus som överfördes från en vertikalt placerad standardoptisk fiber in i den on‑chip vågledaren och tillbaka ut genom en andra, identisk gitterkopplare. Genom att ta hänsyn till förluster i den anslutande vågledaren, extraherade de effektiviteten för en enskild gitter. Vid en våglängd nära 1550 nanometer — arbetsbandet för telekommunikation — uppnår den nya kopplaren en rekordlåg förlust på omkring 1,8 decibel per gränssnitt, och den bibehåller prestanda inom 1 decibel över ett bandbreddsområde på ungefär 31 nanometer. Anmärkningsvärt är att detta uppnås utan någon metallisk bakreflektor, indexanpassningsvätska eller tiltrad fiber; fibern pekar rakt ned mot chippet, vilket kraftigt förenklar paketering och plåtskalstestning vid skivnivå.

Vad detta betyder för framtida fotoniska chipp

För en icke‑specialist betyder dessa siffror att betydligt mer av ljuset som skjuts in från en fiber faktiskt kommer in i chippet, och vice versa, jämfört med tidigare tunnfilms‑silikonnitridplattformar. Bättre på‑ och avfarter minskar de samlade förlusterna, lättar på effektkraven och förenklar hur fotoniska chipp testas och paketeras i verkliga produkter. Eftersom egenskaperna hos det kiselsrika nitridlagret kan justeras under deponeringsprocessen kan samma designfilosofi utsträckas till olika vågledartjocklekar och även andra materialsystem. I huvudsak visar detta arbete en praktisk och tillverkning‑vänlig väg till hög‑effektiva fiber‑till‑chip‑gränssnitt, vilket förflyttar låg‑förlust fotoniska kretsar ett steg närmare utbredd användning inom kommunikation, sensning och framväxande kvantteknologier.

Citering: 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

Nyckelord: integrerad fotonik, silikonnitrid, gitterkopplare, fiber-till-chip-koppling, fotoniska kretsar