Міжнародна група дослідників під керівництвом учених з Інституту фізики Китайської академії наук (CAS) представила новий метод виготовлення оптичних чипів, який може кардинально змінити майбутнє фотоніки. Розробка дозволяє створювати складні тривимірні оптичні структури значно швидше, ніж традиційні технології, відкриваючи шлях до масового виробництва нового покоління фотонних процесорів.
До проєкту також долучилися фахівці з Університету Гонконгу та інших наукових установ Китаю. Дослідження очолив аспірант Ван І, а результати роботи демонструють можливість поєднати індивідуальне проєктування складних фотонних компонентів із масштабним промисловим виробництвом.
Замість тривалого «вирізання» — одночасне формування тисяч структур
Сьогодні для створення високоточних оптичних елементів часто використовують технологію сфокусованого іонного променя (Focused Ion Beam, FIB). Вона дозволяє отримувати надзвичайно точні структури, однак має суттєвий недолік — обробка відбувається послідовно, тобто кожен елемент формується окремо. Через це виробництво є повільним і дорогим.
Китайські науковці запропонували принципово інший підхід. Їхня технологія здатна одночасно перетворювати двовимірні наноструктури на складні тривимірні конструкції по всій поверхні кремнієвої пластини діаметром чотири дюйми. Фактично замість поетапного виготовлення кожної деталі новий процес дозволяє створювати тисячі структур за один виробничий цикл.
Швидкість зростає у сотні разів
За словами авторів дослідження, новий метод забезпечує кутову точність понад 97%, що є надзвичайно високим показником для таких виробів.
Ще більш вражаючим стало скорочення часу виробництва. Порівняно з класичними технологіями на основі сфокусованого іонного променя новий процес виконується більш ніж у сто разів швидше. Це може суттєво знизити вартість виготовлення фотонних чипів і прискорити їхнє впровадження в промисловість.
Фотоніка стає ключовою технологією для розвитку штучного інтелекту
Інтерес до оптичних процесорів та фотонних інтегральних схем стрімко зростає у всьому світі. Такі рішення вважаються одним із головних напрямків розвитку обчислювальної техніки, особливо для систем штучного інтелекту. На відміну від традиційних електричних з’єднань, оптичні канали забезпечують значно більшу пропускну здатність і споживають менше енергії. Саме тому провідні компанії активно інвестують у цей напрямок.
Над фотонними чипами вже працюють Intel, TSMC, Ayar Labs, Lightmatter, а також дослідницькі центри Imec у Бельгії та японська NTT. Китай також активно розширює власні розробки — окрім Китайської академії наук, значні ресурси у фотоніку вкладає Huawei.
Тривимірні чипи відкривають нові можливості
Перехід від плоских двовимірних структур до тривимірних дозволяє значно ущільнити компоненти всередині чипа, зменшити взаємні перешкоди між сигналами та реалізувати функції, які практично неможливі у звичайній архітектурі.
Саме виробництво таких складних конструкцій донедавна залишалося головною перепоною для широкого впровадження технології.
«Наноорігамі» замість складного механічного оброблення
Щоб розв’язати цю проблему, дослідники поєднали широкопроменеве іонне травлення із принципом самозгортання, який вони порівнюють з орігамі.
Спочатку на пластині формуються двовимірні наноструктури, після чого під дією спеціальної обробки вони буквально «складаються» у тривимірні елементи необхідної форми. Завдяки цьому вся пластина обробляється одночасно без втрати нанометрової точності.
Автори роботи переконані, що така технологія здатна усунути одне з головних обмежень сучасної фотоніки та зробити масове виробництво тривимірних оптичних чипів значно доступнішим. У перспективі це може пришвидшити появу нових високопродуктивних систем для штучного інтелекту, надшвидкісного зв’язку, сенсорних комплексів і квантових технологій.