Китайские ученые ускорили производство фотонных чипов в сотни раз

Революция в производстве оптических микросхем

Исследователи из Института физики Китайской академии наук совместно с Гонконгским университетом разработали инновационный метод создания трёхмерных фотонных чипов, который сокращает время производства более чем в 100 раз. Традиционный процесс, занимавший несколько часов, теперь завершается за десятки секунд благодаря применению широкопучевой ионно-лучевой литографии с элементами оригами.

При обычной ионно-лучевой литографии сфокусированный пучок ионов обрабатывает микроструктуры последовательно, что делает операцию с 100×100 микронным участком длительной в семь минут, а крупные массивы - в несколько часов. Китайское решение использует широкий параллельный пучок, действующий на всю поверхность 4-дюймовой (10,16 см) пластины одновременно.

Технология «оригами, индуцированное ионным пучком»

Метод основан на комбинировании электронной литографии и ионного облучения. Сначала на мембранах из нитрида кремния с помощью традиционных методов формируются плоские заготовки, покрытые золотом. Затем вся пластина обрабатывается ионами аргона, создавая дефекты и механические напряжения, заставляющие предварительно подготовленные элементы синхронно изгибаться в трёхмерные конструкции.

В опытах использовались двухслойные элементы толщиной около 50 нм каждый, при этом заметное формирование массивов происходило за примерно 20 секунд. Угловая однородность полученных наноэлементов превысила 97%, что критически важно для массового производства.

Первые прототипы и перспективы применения

В рамках исследования учёные создали два типа устройств. Первый - трёхмерная хиральная метаповерхность для работы с круговой поляризацией света, демонстрирующая дихроизм 0,8 на длине волны 3,41 мкм. Второй - изгибаемая плазмонная решётка, позволяющая перестраивать резонанс более чем на 150 нм в видимой области спектра.

Разработанные структуры находят применение в поляризационных датчиках, спектральных фильтрах, оптических сетях связи и интегрированных фотонных схемах. Переход к трёхмерной архитектуре обещает увеличить плотность компоновки, снизить уровень помех и повысить энергоэффективность по сравнению с традиционной микроэлектроникой.

Открытие путь к массовому производству

Результаты работы были опубликованы в журнале Advanced Materials. В дальнейшем исследователи планируют оценить промышленную пригодность метода, изучив уровень брака, долговечность схем и себестоимость техпроцессов. Технология пришла вовремя: компании Intel, TSMC, Ayar Labs, Lightmatter, а также исследовательские центры Imec и NTT активно развивают фотонные вычисления для ИИ-систем.

Ранее Китай также усилил присутствие в секторе фотоники - Академия наук и Huawei расширяют программы по созданию передовых оптических чипов. Новое решение позволяет решить ключевую проблему отрасли - переход от штучного лабораторного изготовления к массовым темпам производства 3D-фотонных микросхем.