Прямое(3+1)D лазерное письмо элементов фотонных-интегральных схем (2 этап)

Аддитивные лазерные технологии, позволяющие достичь миниатюризации оптических компонент сложной топологии, открывают путь к созданию полностью оптических/фотонных интегральных схем (ФИС анг. PIC), соперничающих по степени интеграции с современными электронными интегральными схемами. Вместе с тем, фотонные интегральные схемы обладают колоссальной информационной емкостью и чрезвычайно высокой скоростью обработки информации. В Проекте предлагается развитие аддитивных лазерных технологий нового поколения применительно к созданию фотонных устройств, в частности, с применением прямого (3+1)D лазерного письма, основанного на фемтосекундной двухфотонной фотополимеризации. Главной идеей данного подхода является возможность влияния на оптические и механические свойства материала 3D-структур как в процессе литографии, так и управления свойствами полученных оптических элементов за счет контроля внешних условий, таких как температура, электрические и магнитные поля. Таким образом, кроме трех переменных в виде пространственных координат, добавляется еще одна ключевая для оптических элементов независимая переменная - показатель преломления вещества. В рамках второго года выполнения Проекта для реализации метода прямого (3+1)D лазерного письма были проведены комплексные исследования по исследованию оригинальных фоточувствительных композиций и созданию элементов фотоники из данного материала. В ходе работ получены оригинальные фоточувствительные композиции на основе метакрилатсодержащих N,N-диэтил-4-(фенилдиазенил)анилиновых красителей, в частности были предложены схемы по синтезу данных красителей. Наилучшие размер линии и разрешение литографии для данной оригинальной композиции в ходе исследований принимали значение 160 нм и 260 нм соответственно. При исследовании композиции была выявлена зависимость дозы поглощенного материалом излучения от мощности излучения, скорости литографии и повторений экспонирования области. Свойства новых светочувствительных композиций (такие как размер элемента и степень конверсии) для реализации прямого (3+1)D лазерного письма зависят от дозы поглощенного излучения. Для создания 3D-микроструктур методом прямого (3+1)D лазерного письма была исследована зависимость степени конверсии (DC) оригинальной фоточувствительной композиции от параметров процесса (3+1)D-литографии. Было выявлено, что определенные в эксперименте значения степени конверсии (DC) монотонно завесили от мощности фемтосекундного лазерного излучения (LP), применяемого в процессе прямого (3+1)D лазерного письма со значением насыщения параметра (34 - 36%). При воздействии на микроструктуры рентгеновского излучением с энергией фотонов 12 КэВ степень конверсии принимает значения близкое к 100 %. При добавлении к созданной в ходе текущих работ светочувствительной композиции органической соли серебра концентрация фотовостановленных наночастиц существенно зависит от плотности мощности излучения, взаимодействующего с фотокомпозицией. Из данной композиции были изготовлены киноформные рентгеновские линзы с апертурой 200 мкм. В качестве элементов фотоники были разработаны дизайн и шаблоны для создания 3D-микроконекторы ввода/вывода оптического излучения в ФИС. Для данных структур было измерено значение эффективности ввода излучение в ФИС с помощью данных структур в диапазоне от 1450 до 1650 нм и при разных значениях взаимного расположения источника излучения и ФИС, максимальная эффективность достигала значения 16%, что в 2 раза превышало эффективность дифракционных кауплеров. Более того, для 3D-микроконнектеров эффективность конвертации излучения в диапазоне длин волн от 1450 до 1650 нм менялась не более чем на 5%. Другим типом фотоных структур, созданных в ходе проекта, были кольцевые микрорезонаторы в качестве резонаторов для ФИС на основе эффекта Фано (резонатор на шепчущей галерее). Для данного типа структур отработан процесс литографии, определены оптимальные литографические параметры и исследована морфология. На основе проделанных работ реализована система «микрорезонатор + волновод» с зазором между резонатором и волноводом принимающим значение в диапазоне от 100 нм до 1000 нм. Также, проведены работы по реализации брегговских волноводов. Подготовлена численная модель для оптимизации параметров и изготовлены Брэгговские волноведущие структуры. Минимум пропускания структур реализовывался на длинах волн 1515 нм и 1530 нм. Проведенный эксперимент верифицирует подготовленную численную модель, позволяя в дальнейшем внести в нее эмпирические поправки. Были продолжены начатые в прошлом году работы по оптимизации формы волноведущих структур для ФИС и исследованию взаимодействующих структур. Показано, что наилучшим пропусканием обладали синусоидальная и полиномиальная геометрия подъема. Характерные потери на соединении были менее 10 дБ. Созданы образцы взаимодействующих волноведущих структур методами прямого (3+1)D лазерного письма и/или DLW-STED-фотолитографии и проведены исследования морфологических и оптических характеристик данных 3D-структур, в том числе и пропускания. Как и в численной модели для полимерных волноводов, имеющих ширину 0,5 мкм и высоту 1 мкм, расположенных на расстоянии 300 нм при длине взаимодействия (Int.length) равной 8 мкм происходит обмен энергией между волноводами из-за перекрытия мод. Проведены первичные эксперименты по интеграции неклассических источников света в 3D-микроструктуры. На данном этапе проекта структуры создавались методом (3+1)D прямого лазерного письма около микроалмазов, которые были предварительно нанесены из порошка на кремниевую подложку. Данные микроалмазы имели средний размер 4 мкм и содержали азотно-вакансионные центры. В ходе предварительных исследований было выявлено, что наибольшее влияние оказывали параболические структуры с радиусом кривизны менее 1 мкм. В текущем отчетном году было подготовлено 5 статей. Результаты работ представлены на 3 конференциях. Часть результатов, полученных в ходе Проекта, вошла в состав успешно защищенной диссертации члена научного коллектива Проекта Rilond Pattia Matital (гражданин Индонезии) «Confocal Microscopic Investigation of 3D polymer microstructure components fabricated by Direct Laser Writing (DLW) lithography», на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 1.3.6-оптика (на английском языке), МФТИ, 26 сентября 2023 г.