Физики нашли способ учитывать анизотропию кристалла при создании волноводов

Одна из острых задач современной интегральной фотоники — уменьшение размеров оптических компонентов. В электронике уже давно удается размещать много элементов на компактных микросхемах, однако в фотонике миниатюризация устройств происходит сложнее из-за ограничений самих материалов. Чтобы хорошо концентрировать электромагнитную волну в малом объеме, материал должен иметь высокий показатель преломления. При этом часто приходится искать компромисс: материалы с высоким показателем преломления могут заметно поглощать свет в нужной области спектра. Например, оптические элементы на основе кремния хорошо локализуют свет, но плохо подходят для видимой области спектра. Диоксид кремния, наоборот, прозрачен для видимого света, однако имеет сравнительно низкий показатель преломления, поэтому хуже удерживает излучение и требует более крупных элементов.

Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами исследовали перспективный для решения этой задачи материал — слоистый полупроводник GaInS₃. При достаточно большой ширине запрещенной зоны — 2,73 эВ он обладает высоким показателем преломления, превышающим 2,5. Это говорит о том, что материал прозрачен в значительной части видимого диапазона. Кроме того, GaInS3 обладает двулучепреломлением: его оптические свойства зависят от направления распространения и поляризации света. 

Однако исследователи столкнулись со сложностью изготовления наноразмерных фотонных элементов, например волноводов, из этого материала. Проблема заключается в том, что GaInS3 — анизотропен. Это значит, что его механические свойства меняются в зависимости от направления относительно кристаллической решетки. Поэтому движение острого наконечника атомно-силового микроскопа в разных направлениях может приводить к совершенно разному результату. Например, в одном направлении формируется узкая и гладкая канавка, в другом — материал начинает крошиться и края становятся неровными.

Физтехи решили использовать эту особенность как своеобразную подсказку самого кристалла. Перед изготовлением волновода они проводили зондом несколько линий под разными углами, формируя рисунок, похожий на розу ветров. По форме полученных канавок можно увидеть, в каких направлениях конкретный флейк GaInS3 (тонкий отдельный фрагмент кристалла) режется наиболее чисто. После этого образец ориентируют соответствующим образом и уже вдоль найденных направлений создают края будущего устройства. Работа опубликована в журнале Nanoscale.

«В ходе “нарезки” первых тестовых структур мы обнаружили, что на одних флейках линия реза получается очень ровной и бездефектной, в то время как на других слой просто хаотично рвался. Поэтому мы предположили, что используя такой метод литографии необходимо учитывать анизотропию механических свойств материала. Ввиду этого было принято решение перед фабрикацией волноводов на флейке сделать “розу ветров”, чтобы определить оптимальное направление нарезки волноводов»,— рассказал Алексей Кузнецов, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Всю обработку GaInS₃ исследователи проводили с помощью фрикционной сканирующей зондовой литографии. Острый твердый наконечник сканирующего зондового микроскопа перемещается по поверхности и механически удаляет материал. Сначала таким способом наносили тестовую «розу ветров», чтобы определить наиболее подходящее направление обработки, а затем вдоль выбранного направления формировали волноводы. В результате ученые получили полосковые волноводы, в том числе структуры толщиной 70 нанометров. На наиболее качественных участках шероховатость боковых стенок составляла менее 10 нанометров.

Волноводы GaInS₃ при правильной и неправильной ориентации кристалла. Выбор подходящего направления обработки позволяет получить более ровные боковые стенки, тогда как при неправильной ориентации возникают разрывы и дефекты. РЭМ-изображения / © Nanoscale

После изготовления волноводы испытали: физики направляли свет на один конец волновода и регистрировали сигнал, выходящий с другого. Эксперимент показал распространение света в диапазоне длин волн от 505 до 630 нанометров. Этот результат говорит о возможности разработки более сложных компактных компонентов фотонных интегральных схем для работы с видимым излучением, например резонаторов, фильтров, интерферометров и других оптических устройств.

Распространение света по волноводу GaInS₃ на разных длинах волн. В диапазоне 505–630 нм на выходе волновода наблюдается яркий сигнал, тогда как на более коротких длинах волн проводимость света практически отсутствует из-за собственного поглощения. Слева показана схема оптических измерений / © Nanoscale

«В нашей работе были впервые изготовлены полосковые волноводы на основе трисульфида галлия-индия с помощью фрикционной атомно-силовой литографии и продемонстрирована их работоспособность в видимом и ближнем ИК-диапазоне»,— рассказал Алексей Кузнецов.

Одним из показательных экспериментов стало сравнение нового подхода с обработкой сфокусированным ионным пучком. Этот метод позволяет с высокой точностью удалять материал с помощью ускоренных ионов. Полученные таким способом структуры выглядели геометрически аккуратно, однако при тех же условиях исследователи не обнаружили в них направляемого света. Физики это связывают с тем, что ионная обработка вызывает аморфизацию и создает дополнительные центры оптических потерь. В структурах, изготовленных разработанным методом, решетка кристалла не разрушается.

Один из главных выводов исследования состоит в том, что для создания работающего фотонного элемента недостаточно добиться геометрически точной и гладкой формы. Не менее важно сохранить кристаллическую структуру материала, поскольку ее повреждение может привести к большим оптическим потерям и полностью подавить распространение света.

Еще одним ключевым фактором оказалась шероховатость стенок. Первоначальные идеализированные расчеты не полностью воспроизводили экспериментальный спектр. Когда ученые включили в модель реально измеренную шероховатость и задали свет в виде узкого пучка, расчетные спектры стали значительно лучше совпадать с экспериментом.

Результаты показывают, что переход к новым материалам и работе в видимом диапазоне может помочь уменьшить размеры элементов интегральной фотоники. Численное моделирование в работе показывает, что свет может быть локализован в структурах с поперечными размерами порядка сотен нанометров. Это важно для создания более плотных фотонных схем, где на небольшой площади можно разместить больше оптических элементов.

Физики рассматривают предложенный подход прежде всего как инструмент быстрого прототипирования новых фотонных устройств. В дальнейшем тот же принцип можно использовать не только для прямых волноводов, но и для резонаторов, ответвителей и других компонентов. Особенно перспективными могут быть анизотропные слоистые материалы, поскольку их кристаллическая структура сама предоставляет дополнительные способы управлять поляризацией и взаимодействием света с веществом.

«В целом хотелось бы добиться более совершенной геометрии полученных структур, а также попробовать создать более широкий набор оптических компонентов на основе GaInS3, в частности модуляторы, фильтры, резонаторы и другие устройства»,— поделилися Алексей Кузнецов.

В работе кроме сотрудников Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ принимали участие их коллеги из Алферовского университета, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, Российского квантового центра, Университета ИТМО и Центра исследований передовых технологий (ОАЭ).