«Роза ветров» для фотоники: физтехи предложили новый подход к созданию наноразмерных волноводов

Ученые из МФТИ с коллегами разработали подход к созданию фотонных элементов, который учитывает ориентацию кристаллической решетки анизотропного слоистого материала. Используя этот метод и фрикционную сканирующую зондовую литографию, исследователи изготовили наноразмерные волноводы из трисульфида галлия-индия (GaInS₃) и продемонстрировали распространение в них света видимого диапазона. Работа опубликована в журнале Nanoscale.

Одна из ключевых задач современной интегральной фотоники — уменьшение размеров оптических компонентов. В электронике уже давно научились размещать огромное количество элементов на компактных микросхемах, однако фотонные устройства миниатюризировать сложнее. Причина — фундаментальные ограничения, связанные со свойствами материалов и распространением света. Чтобы эффективно удерживать электромагнитную волну в небольшом объеме, материал должен обладать высоким показателем преломления.

При этом приходится искать баланс между разными характеристиками. Материалы с высоким показателем преломления хорошо локализуют свет, но могут сильно поглощать его в нужной области спектра. Например, кремний позволяет создавать компактные оптические элементы, однако плохо подходит для работы с видимым светом. Диоксид кремния, напротив, прозрачен в видимом диапазоне, но обладает сравнительно низким показателем преломления. Поэтому он хуже удерживает свет и требует создания более крупных структур.

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

Однако при изготовлении наноразмерных фотонных элементов из этого материала исследователи столкнулись с другой особенностью GaInS₃. Материал анизотропен — его механические свойства зависят от направления относительно кристаллической решетки. Поэтому движение острого наконечника атомно-силового микроскопа в разных направлениях может давать совершенно разные результаты. В одном направлении образуется ровная и узкая канавка, а при движении под другим углом материал может начать крошиться, оставляя неровные края.

Физтехи решили превратить эту особенность из проблемы в инструмент. Перед изготовлением волновода они проводили зондом несколько линий под разными углами, получая рисунок, напоминающий розу ветров. По форме и качеству получившихся канавок можно определить, в каких направлениях конкретный флейк GaInS₃ — тонкий отдельный фрагмент кристалла — обрабатывается наиболее чисто. После этого образец ориентируют нужным образом и уже вдоль найденных направлений формируют края будущего фотонного устройства.

«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 при использовании такого метода 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 выполняли с помощью фрикционной сканирующей зондовой литографии. Острый твердый наконечник сканирующего зондового микроскопа перемещается по поверхности материала и механически удаляет его верхний слой. Сначала ученые наносили тестовую «розу ветров», чтобы определить оптимальное направление обработки, а затем вдоль выбранной оси формировали волноводы. В результате были получены полосковые волноводы, в том числе структуры толщиной 70 нанометров. На наиболее качественных участках шероховатость боковых стенок не превышала 10 нанометров.

После изготовления волноводы испытали экспериментально. Физики направляли свет на один конец структуры и регистрировали сигнал, выходящий с другого. Эксперимент показал распространение света в диапазоне длин волн 505–630 нанометров. Это демонстрирует возможность создания на основе GaInS₃ более сложных компактных компонентов фотонных интегральных схем для работы с видимым излучением — например, резонаторов, фильтров, интерферометров и других оптических устройств.

«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. По мнению авторов, причина может быть связана с тем, что ионная обработка повреждает кристаллическую решетку, вызывая аморфизацию материала и появление дополнительных центров оптических потерь. При фрикционной литографии кристаллическая структура сохраняется лучше.

Один из главных выводов исследования заключается в том, что для создания работающего фотонного элемента недостаточно получить геометрически точную и гладкую структуру. Не менее важно сохранить внутреннее устройство материала. Повреждение кристаллической решетки способно существенно увеличить оптические потери и в итоге полностью подавить распространение света по волноводу.

Еще одним важным фактором оказалась шероховатость стенок. Первоначальные идеализированные расчеты не полностью воспроизводили экспериментальный спектр. Когда исследователи добавили в модель реально измеренную шероховатость поверхности и учли, что свет вводится в структуру узким пучком, расчетные спектры стали значительно лучше согласовываться с экспериментальными данными.

Полученные результаты показывают, что использование новых материалов и переход к видимому диапазону могут помочь уменьшить размеры элементов интегральной фотоники. Численное моделирование, проведенное в работе, показывает, что свет способен локализоваться в структурах с поперечными размерами порядка сотен нанометров. Это открывает возможность создавать более плотные фотонные схемы, размещая больше оптических элементов на одной и той же площади.

Предложенный подход физики рассматривают прежде всего как инструмент быстрого прототипирования новых фотонных устройств. В дальнейшем тот же принцип можно применять не только для изготовления прямых волноводов, но и для создания резонаторов, ответвителей и других компонентов. Особенно интересны в этом отношении анизотропные слоистые материалы: их кристаллическая структура предоставляет дополнительные возможности для управления поляризацией света и его взаимодействием 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», — поделился Алексей Кузнецов.

Сейчас исследователи продолжают работу над совершенствованием технологии изготовления и расширением набора фотонных структур, которые можно получить с ее помощью.

Источник: «Роза ветров» для фотоники: физтехи предложили новый подход к созданию наноразмерных волноводов — За науку