Ученые IollNIST (Национального института науки и технологий США) разработали новый способ упаковки фотонных интегральных схем, позволяющий им выживать и работать в самых экстремальных условиях, которые только можно себе представить.

Хотя теперь для завершения нового процесса требуется несколько дней, инженеры могли бы значительно сократить это время, сделав технологию пригодной для крупномасштабного производства.

“Наше исследование знаменует собой важный шаг на пути к повышению скорости и эффективности фотоники в условиях, когда обычные полупроводниковые чипы, работающие от электрического тока, и фотонные чипы, упакованные с использованием традиционных методов, не могут работать”, - сказал физик NIST Николай Климов, возглавлявший проект.

Фотонные интегральные микросхемы обладают особым преимуществом, поскольку они передают данные с высокой скоростью, потребляя при этом гораздо меньше энергии, чем обычные микросхемы, но только в том случае, если упаковка позволяет идеально выровнять тонкие оптические соединения.

Их применение в сложных условиях остается ограниченным. Традиционная упаковка не обеспечивает надежного соединения между фотонными чипами и оптическими волокнами в экстремальных условиях, таких как интенсивное излучение, сверхвысокий вакуум, высокая температура или низкие температуры при низких температурах.

Многие квантовые технологии, включая несколько ведущих платформ для квантовых вычислений, требуют либо сверхвысокого вакуума, либо температур всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, либо и того, и другого. Космические полеты, активные зоны ядерных реакторов и ускорители элементарных частиц подвергают приборы интенсивному излучению. Для применения в промышленности и энергетике требуются датчики, способные выдерживать высокую температуру, давление и агрессивные среды.

Чтобы обеспечить работу фотонных интегральных микросхем в этих экстремальных условиях, исследователи преодолели удивительно сложную задачу: надежно подсоединить оптическое волокно к фотонному чипу.

Современные стандартные клеи — органические полимерные клеи — имеют тенденцию к растрескиванию, выделению газов или разрушению под воздействием экстремального холода, интенсивной радиации, вакуума или высокой температуры. Как только это соединение разрушается, чип перестает функционировать.

Чтобы решить эту проблему, ученые NIST адаптировали методику, первоначально использовавшуюся НАСА для сборки больших сверхстабильных оптических систем как для космических, так и для наземных астрономических систем.

Этот метод, называемый гидроксидным катализ-связыванием (HCB), создает неорганическую, стеклообразную химическую связь между оптическим волокном и фотонным чипом.

Вместо того чтобы полагаться на клей, в этом процессе используется небольшое количество раствора гидроксида натрия для соединения поверхностей на молекулярном уровне, образуя жесткое и стабильное соединение.

Команда NIST впервые продемонстрировала, что технология HCB позволяет добиться точного выравнивания оптического волокна и эффективного взаимодействия света, которые требуются фотонным схемам, при этом сохраняя надежность корпуса, способного выдерживать суровые условия эксплуатации.

Чтобы проверить эту устойчивость, исследователи подвергли упакованный фотонный чип воздействию ряда экстремальных условий.

Даже после того, как команда охладила конструкцию до криогенных температур, подвергла материал резким перепадам температур, подвергла его интенсивной ионизирующей радиации и поместила в высокий вакуум, волоконное соединение, скрепленное ГХБ, осталось нетронутым. Это позволило команде убедиться в том, что сам чип продолжает нормально функционировать.

Хотя высокотемпературные испытания не удалось провести непосредственно на упакованном фотонном чипе из-за ограниченности имеющихся в продаже оптических волокон, дополнительные исследования, проведенные командой, показали, что фотонная упаковка на основе ГХБ остается механически стабильной при температурах, намного превышающих те, которые могут выдержать обычные клеи.

В совокупности эти результаты указывают на то, что метод упаковки обладает исключительной устойчивостью к воздействию удивительно широкого спектра факторов окружающей среды.

“Такой подход создает соединение, которое является таким же прочным, как и само оптическое волокно”, - сказал Климов. “Это позволяет фотонным интегральным схемам продвигаться туда, куда они раньше просто не могли”.

Несмотря на то, что текущий процесс склеивания требует нескольких дней, исследователи подчеркивают, что это скорее инженерная проблема, чем фундаментальный барьер. При целенаправленной разработке инженеры могли бы значительно сократить время, сделав технологию подходящей для крупномасштабного производства.