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

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 потенциально обладают колоссальной информационной емкостью и чрезвычайно высокой скоростью обработки информации. Развитие высокопроизводительных методов создания новых функциональных оптических элементов для применения в фотонных интегральных схемах - важная научно-исследовательская задача. За последние несколько лет множество пассивных и некоторые активные фотонные микроструктуры (в том числе являющихся элементами ФИС) были реализованы методами планарных 2D технологий (такими как электронная лучевая литография). Однако, 3D-микроструктуры, интегрированные в архитектуру ФИС, способны значительно повысить эффективность функциональных элементов, упростить топологию схем, повысить эффективность ввода-вывода излучения в ФИС, а также стать основой для межчиповых соединений (важных для увеличения масштабируемости производства ФИС). Использование аддитивной 3D лазерной литографии не только улучшает возможности создания оптических элементов и частей ФИС, но и открывает новые возможности, недоступные для планарной 2D-литографии. Реализация важных 3D-элементов фотонных устройств возможна методами двухфотоннойфотополимеризации (DLW-фотолитографии, DirectLaserWriting). Микрообъективы, созданные методами DLW-фотолитографии, позволяют не только улучшить обработку изображений при реализации компьютерного зрения, но и реализовать эффективные межсоединения фотонных чипов и устройства ввода излучения в чип. Реализованные с помощью двухфотонной фотополимерзации 3D-микроволноводы (PhotonicWireBound-PWB) позволяют соединять кремниевые волноводы с потерями на соединении меньшими 2 дБ, а также осуществлять фотонную интеграцию полупроводниковых лазеров и пассивных оптических элементов на чипах Si3N4 и SOI. Также с помощью таких фотонных межсоединений было реализовано устройство, меняющее плоскость поляризации выходящего из волновода излучения относительно входящего, а также светоделители на искусственных гироидных кристаллах. 3D лазерная литография позволяет осуществлять фотонную интеграцию с одномодовыми оптическими волокнами, многожильными волокнами, и позволила реализовать концепцию chip-on-tip. Более того, фотонное микроустройство, сочетающее микроволноводы и источники одиночных фотонов на алмазных (SiC) центрах, либо h-BN 2D объектах, подтвержденных на интерферометре Хэнбери Брауна – Твисса, было реализовано методом DLW-фотолитографии. В Проекте предлагается развитие аддитивных лазерных технологий нового поколения применительно к созданию фотонных устройств, в частности, с применением прямого (3+1)D 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 пространственных координат, добавляется еще одна ключевая для оптических элементов независимая переменная - показатель преломления вещества. В рамках Проекта для реализации метода прямого (3+1)D лазерного письма будут проведены комплексные исследования по синтезу светочувствительных композиций для прямого (3+1)D лазерного письма и определению их физических свойств как в зависимости от параметров литографии, так и от внешних условий. С помощью отобранных высокоэффективных светочувствительных композиций в Проекте будут созданы методом прямого (3+1)D лазерного письма как пассивные фотонные элементы с градиентом показателя преломления, так и функциональные фотонные микроструктуры, содержащие активные оптические элементы. В числе таких элементов будут реализованы вертикальные взаимодействующие волноводы (в том числе для создания фотонных элементов на их основе), а также волноводы с изменяющимся показателем преломления вдоль распространения света. На основе взаимодействующих волноводов возможна реализация компактных трехмерных фотонных схем, позволяющих измерять квантовую когерентность, что важно для проведений исследований в областях квантовых вычислений и квантовой связи. В рамках Проекта планируется создание кольцевые резонаторов и микросфер. Данные объекты за счет резонансов Фано позволяют создавать микрорезонаторы с добротностью порядка 10^6, что важно для создания высокоточных устройств основанных на когерентных измерениях (таких как лидар (Light Detection and Ranging «обнаружение и определение дальности с помощью света»)). Уникальное сочетание метода прямого (3+1)D лазерного письма с методами многолучевой и DLW-STED-фотолитографии позволят достичь коллективу увеличения производительности и разрешения метода. Результаты данного исследования позволят создать задел для осуществления российской технологии изготовления полимерных компактных трехмерных фотонных схем. Так благодаря многолучевому подходу планируется реализация компактных трехмерных фотонных схем с высокой плотностью входов и выходов. А благодаря применению подходов DLW-STED-фотолитографии планируется оптимизация констант связи для обработки сигнала благодаря более точному контролю расстояния между волноведущими структурами, а также между волноведущими структурами и резонаторами. Научный коллектив состоит из молодых исследователей и включает в свой состав трех молодых кандидатов наук, двух аспирантов и двух студентов. Руководитель Проекта и члены научного коллектива обладают опытом в разработке и создании установок для DLW и DLW-STED-фотолитографии, в работе с оригинальными фоточувствительными композициями для двухфотонной DLW литографии (European Polymer Journal, Q1, 2021,2022), а также успешным опытом в реализации и исследовании полимерных фотонных структур (J Phys D, Q1, 2020, Opt.Matt. Express, Q1, 2021, Optik 2020, etc), опытом успешного выполнения проектов и совместных исследований, что обуславливает предпосылки для достойной реализации Проекта и получения запланированных результатов. Таким образом, актуальность и новизна предлагаемого Проекта заключается в сочетании современных направлений физики и технологии: создание и исследование 3D-микроструктур для фотонных интегральных схем (ФИС); развитие оригинального метода (3+1)D двухфотонной литографии, позволяющего достичь максимального для оптической литографии разрешения дешевым способом; разработка новых фотокомпозиций для прямого (3+1)D лазерного письма, позволяющих создавать управляемые оптические элементы для ФИС.