Созданы термостабильные волноводы для сверхбыстрых оптических чипов

Прозрачные оптические ситаллы уже больше полувека используют для создания зеркал телескопов, поскольку они, в отличие от многих других материалов, практически не изменяют своих размеров при нагревании, что очень важно при точных астрономических наблюдениях. Ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева показали, что это свойство ситаллов может пригодиться при разработке сверхбыстрых оптических чипов. При помощи лазерного излучения они создали в ситалле серию оптических волноводов для передачи данных и показали, что те остаются стабильными при температуре до 600 °С. Результаты работы, проведенной при поддержке РНФ, опубликованы в журнале Optics & Laser Technology.

Название ситаллы — это сочетание слов «стекло» и «кристалл», еще в начале ХХ века его ввел советский ученый Исаак Ильич Китайгородский. Стекло — материал аморфный, а ситаллы имеют немного другую структуру: они состоят из аморфной матрицы, в которой распределены частицы кристаллической фазы. За счет этого они сочетают преимущества и стекла, и кристаллов, например прозрачность и высокую твердость одновременно с невысокой стоимостью производства.

«За всю историю развития стекольной промышленности разработано большое количество ситаллов для различных применений — от прочной посуды до износостойких строительных материалов. Но самый наукоемкий класс ситаллов, будущее которого впереди, — это оптические ситаллы и особенно ситаллы со сверхнизким коэффициентом линейного расширения», — комментирует Владимир Сигаев, заведующий кафедрой стекла и ситаллов РХТУ и соавтор работы. «Аркадий Райкин в своей знаменитой миниатюре когда-то шутил: "Партия нас учит, что все тела при нагревании расширяются". Оказалось, что не все. Ситалл — это действительно уникальный, и даже аномальный, материал, который при нагревании в широкой области температур полностью сохраняет свои линейные размеры, тогда как другие материалы подчиняются "партийной дисциплине". Правда, известны и другие материалы с очень малым тепловым расширением, например сплавы инварной группы, но они непрозрачны. Сочетание прозрачности с буквально нулевым значением коэффициента теплового расширения, реализуемое в ситаллах, мы и использовали для создания термостабильных волноводов».

Оптические ситаллы сохраняют размеры неизменными из-за того, что тепловое расширение стеклообразной матрицы может быть скомпенсировано сжатием кристаллической фазы, если она будет представлена подходящими кристаллами с отрицательными значениями коэффициента теплового расширения. Это свойство используют при создании зеркал телескопов, которые обычно расположены в местах с большими перепадами температур, например в горах, — зеркало из ситалла защищает телескоп от погрешностей измерений, которые возникают при термическом расширении.

Ученые РХТУ использовали такие ситаллы для создания волноводов — одних из ключевых элементов оптических чипов, — так называют аналоги электронных микросхем, в которых информация передается не посредством электрического тока, а с помощью света. На основе таких чипов ученые по всему миру разрабатывают оптические компьютеры, а волноводы будут работать в них «проводами» — каналами для передачи света от одной точки к другой. Если создать волновод в оптическом ситалле, то передаваемая по нему информация будет защищена даже при внезапном повышении или понижении температуры.

Для решения этой задачи исследователи применили метод прямой лазерной записи. Они фокусировали пучок фемтосекундного лазерного излучения в ситалл и записывали линии (треки), которые получались при перемещении ситалла перпендикулярно лазерному пучку. Это похоже на выцарапывание линии острым предметом на стекле, только линия возникает не на поверхности, а в объеме. И в зависимости от типа материала в этой линии увеличивается или уменьшается показатель преломления по сравнению с немодифицированной областью. В первом случае записанная линия сама становится волноводом, по сердцевине которого бежит свет, а во втором случае нужно процарапать несколько треков и волноводом будет пространство между ними, а записанные линии станут стенками или, как говорят, оболочкой волновода, не выпускающей свет из волновода.

«Мы обнаружили, что треки, записанные в оптических ситаллах, имеют отрицательный показатель преломления. По данным спектроскопии комбинационного рассеяния света структура материала в этих треках больше похожа на стекло, чем на ситалл, то есть при лазерной записи происходит процесс частичной аморфизации — перехода из закристаллизованного состояния в стеклообразное, — комментирует Алексей Липатьев, первый автор работы, сотрудник кафедры стекла и ситаллов РХТУ. — Для того чтобы создать волновод, мы записывали оболочку из треков, в результате чего сердцевина волновода оставалась ситалловой, а оболочка — частично аморфизированной».

Основная характеристика волноводов — это показатель оптических потерь, который демонстрирует, насколько снизилась интенсивность сигнала на выходе из волновода по сравнению с тем, что было на входе, то есть чем меньше этот показатель, тем лучше волновод. Чтобы создать волновод с наименьшими оптическими потерями, исследователи изменяли параметры лазерной записи: энергию лазерных импульсов, скорость записи, размер оболочки и сердцевины. Так они выбрали оптимальный режим записи, в котором записали волновод длиной 17 мм с показателем оптических потерь 2,4 дБ/см. По сравнению с аналогичной величиной в микрооптических волноводах, созданных в обычных стеклах (0,5 дБ/см) показатель оптических потерь в новых волноводах пока достаточно велик, но в дальнейшем он будет снижен за счет оптимизации лазерной записи. Кроме того, испытания при повышенной температуре показали, что даже при 600 °С он остается стабильным, что доказывает возможность безопасной передачи данных по волноводам в ситаллах в случае резких перепадов температуры.

«Для прецизионной компенсации теплового расширения аморфной фазы за счет отрицательного коэффициента сжатия кристаллической фазы и одновременно сохранения прозрачности на уровне обычного листового стекла в ситаллах нужно очень точно соблюдать фазовый состав. Поэтому технология изготовления подобного материала значительно более сложная, чем технология стекла, — отмечает Владимир Сигаев. — Тем интересней, что одновременно с нашей работой вышли еще две публикации по записи волноводов в оптических ситаллах от научных групп из Бразилии и Англии, и это подчеркивает актуальность исследований в этой области. В дальнейшем мы планируем продолжать исследования прямой лазерной записи в стеклах и ситаллах, для создания аморфных и кристаллических волноводов, которые смогут не только проводить свет, но и изменять его свойства за счет нелинейно-оптических эффектов, например генерации второй гармоники для изменения длины волны проходящего света».