Что такое брэгговский фильтр?
Развитие современных информационных технологий требует решения целого ряда прикладных задач как в области высокоскоростной передачи, обработки и хранения данных, так и в области отображения информации и управления оптическими сигналами. В отличие от традиционных микроэлектронных систем, оптические системы способны обеспечить более высокую скорость обработки данных и значительно меньшее энергопотребление.
Стратегическим направлением для данной области является разработка фотонных интегральных схем и устройств на их основе. Фотонные интегральные схемы характеризуются высокой пропускной способностью, помехоустойчивостью, высокой скоростью переключения, низким тепловыделением, отсутствием необходимости применения предельно допустимых технологических норм на данном уровне развития при изготовлении. Это открывает значительные перспективы их применения для создания целого класса компактных устройств, способных работать в телекоммуникационном диапазоне длин волн с высокой скоростью и надежностью.
Разработкой и созданием фотонных интегральных схем, в том числе для вычислительных и телекоммуникационных систем, занимаются ученые лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» (НИЛ МУФ), созданной под руководством Петра Лазаренко в Институте ПМТ при поддержке предприятия НПК «Технологический центр». Ранее сотрудниками лаборатории совместно с коллегами из МИСИС и индустриальным партнером были изготовлены элементы полностью оптической многоуровневой памяти в интегральном исполнении — ключевого элемента оптических нейроморфных вычислительных систем, работающих по принципу человеческого мозга. Основой данных элементов являлись фазопеременные материалы (англ. phase change materials, PCM), способные существенно изменять свои оптические свойства в результате лазерного или электрического воздействия.
Сотрудники Института ПМТ в лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники»
В настоящий момент ученые Института ПМТ продолжают активно развивать данное направление при поддержке Российского научного фонда. В одной из последних своих работ, опубликованной в журнале американского химического сообщества ACS «Applied Materials & Interfaces» (Q1, импакт фактор журнала - 8,5), коллектив ученых из МИЭТ, МИСИС, ИТМО, ИОНХ РАН, ВШЭ, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne и НПК «Технологический центр» продемонстрировал возможность применения лазерной модификации фазопеременных материалов для создания многократно перестраиваемого интегрально-оптического брэгговского фильтра.
Сотрудники лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» с коллегами из НПК «Технологический центр»
Брэгговские фильтры являются широко используемыми элементами интегральной оптики, в частности для решения задач оптической фильтрации сигнала в различных системах связи. Однако стандартным методом формирования интегрально-оптических брэгговских фильтров является создание периодического изменения геометрии линейного волновода. В результате изготовление данных элементов требует дополнительного применения сложной и трудозатратной литографии высокого разрешения для формирования брэгговской решетки, а характеристики самих элементов после их изготовления являются неизменными (отсутствует возможность постфабрикационной настройки).
В результате проведенных исследовательских и технологических работ научным коллективом было продемонстрировано, что в результате воздействия набором ультракоротких лазерных импульсов на поверхности тонкой пленки фазопеременного материала могут быть сформированы лазерно-индуцированные периодические структуры (англ. – laser induced periodic surface structure, LIPSS). В отличие от хорошо известных LIPSS, формирующихся на поверхности различных материалов за счет абляционных процессов, получаемые в условиях “мягкого” (субабляционного) лазерного воздействия на поверхности тонких пленок фазопеременных материалов LIPSS представляют собой периодическое чередование аморфных и кристаллических областей. LIPSS в тонких пленках фазопеременных материалов формируются с периодом как порядка длины волны лазерного излучения, так и с существенно субволновым.
Учеными было продемонстрирована возможность формирования LIPSS в пленке фазопеременного материала, нанесенного поверх волновода. В результате вызванная формированием LIPSS периодическая модуляция фазового состояния в тонкой пленке фазопеременного материала приводит к периодической модуляции показателя преломления эффективной моды, что естественным образом формирует распределенный брэгговский отражатель.
Принцип перестройки разработанного интегрально-оптического брэгговского фильтра (а) и изображения волноводов с LIPSS c различным коэффициентом заполнения (б,в). [ACS «Applied Materials & Interfaces»]
По результатам расчета профилей электрического поля и эффективных показателей преломления мод было установлено, что для получения минимума в спектре пропускания предлагаемой структуры с центральной длиной волны 1550 нм для TM-моды может быть достигнуто за счет формирования LIPSS с периодом 478 нм и коэффициентом заполнения 0.49. В статье исследователями было продемонстрировано, что период и коэффициент заполнения могут варьироваться в диапазоне от 300 нм до 1000 нм и от 30 до 80% соответственно.
Управление периодов формируемых LIPSS с помощью изменения длины волны записывающего излучения. [ACS «Applied Materials & Interfaces»]
«При этом отличительной особенностью такого устройств являться возможность контролируемой настройки параметров фильтра, к примеру, положения минимума в его спектре пропускания, за счет изменения периода модуляции фазы PCM, задаваемого во время формирования LIPSS в патче. С помощью применения отработанных режимов и вариации длины волны и плотности энергии лазерного излучения возможно обеспечивать точный контроль параметров записываемых LIPSS в пленках фазопеременного материала, сформированного на Si3N4. При этом FFT паттерны, полученные для LIPPS c перезаписанной области, подтвердили наличие только одной пространственной компоненты LIPSS, что подчеркивает возможность получения перезаписываемых LIPSS и циклирования», – отметил начальник лаборатории Петр Лазаренко.
Важно отметить, что изготовление такого фильтра не требует проведения дополнительной трудозатратной литографии высокого разрешения для формирования брэгговской решетки, поскольку она не вытравлена в волноводе (период субволновой решетки определяет наименьший характерный размер в таких устройствах), а записана в фазопеременным материале с помощью лазерного воздействия.
Исследования выполнены за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-79-10322) в лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» Института ПМТ. Результаты опубликованы в журнале ACS «Applied Materials & Interfaces» (Q1, импакт фактор журнала – 8,5).
В настоящий момент лаборатория «Материалы и устройства активной фотоники» ведет отбор практикантов (второй курс бакалавриата и старше) и поиск новых сотрудников. В первую очередь в лабораторию требуется программист для решения задач автоматизации процессов лазерной модификации, а также проектировщик/оператор для изготовления и механической обработки металлических компонентов для вакуумных систем. Связаться с лабораторией можно по адресу activephotonic@gmail.com.