Корпорация Kyocera и Научно-исследовательский институт электросвязи (RIEC) при Университете Тохоку разработали новую технологию, которая позволяет интегрировать оптические изоляторы непосредственно в кремниевые фотонные чипы с помощью лазерного отжига — метода локальной термообработки с использованием лазера.
По мере развития генеративного искусственного интеллекта и других технологий, требующих больших объемов данных, центрам обработки данных приходится обрабатывать все больше информации, потребляя при этом меньше энергии. Кремниевая фотоника может помочь в этом, используя свет для эффективной передачи данных. Кремниевая фотоника также важна для технологии Co-Packaged Optics (CPO), которая объединяет оптические и электронные схемы в одном полупроводниковом корпусе для сокращения путей прохождения сигнала, снижения его потерь и уменьшения энергопотребления.
Однако в оптических схемах часть света может отражаться обратно к источнику лазера, что снижает эффективность. Оптические изоляторы предотвращают это, позволяя свету распространяться только в одном направлении. По мере того как оптические схемы становятся все более компактными и интегрированными, растет спрос на оптические изоляторы, которые можно изготавливать непосредственно на кремниевых фотонных чипах. В таких изоляторах обычно используется кристаллический материал под названием магнитооптический гранат, который для нормальной работы необходимо нагревать до 600 °C или выше. Однако нагрев всего чипа до такой высокой температуры может повредить электроды, проводку и другие компоненты. Поэтому задача состоит в том, чтобы нагреть только магнитооптический гранат, не перегревая остальную часть чипа.
Чтобы решить эту задачу, исследователи разработали технологию монолитной интеграции, которая позволяет изготавливать оптические изоляторы непосредственно на кремниевых фотонных чипах с помощью лазерного отжига. В этом методе лазер используется для нагрева только тех участков чипа, которые требуют обработки.
Лазерный луч ближнего инфракрасного диапазона воздействует только на область оптического изолятора размером примерно 700 × 700 мкм, содержащую магнитооптическую гранатовую пленку. Локальный нагрев приводит к кристаллизации граната, в результате чего он приобретает свойства, необходимые для подавления отраженного света. В отличие от традиционных методов, при которых весь чип нагревается в печи, этот метод ограничивает воздействие тепла на окружающие оптические схемы и электроды.
Используя эту технологию, исследовательская группа создала устройство, работающее на основе интерференции света, и экспериментально продемонстрировала его работу в качестве оптического изолятора. Команда сравнила оптические характеристики сигнального света, распространяющегося в прямом направлении, с характеристиками отраженного света, распространяющегося в обратном направлении. Результаты подтвердили коэффициент изоляции 13,6 дБ в диапазоне длин волн оптической связи, что соответствует снижению обратного отражения света примерно на 95 %. Электронная микроскопия также подтвердила, что магнитооптический гранат в области, подвергшейся лазерному облучению, успешно кристаллизовался на кремниевом волноводе.