Китайские исследователи представили инновационную методику изготовления оптоэлектронных микросхем, значительно ускоряющую создание детализированных элементов – от нескольких часов до секунд. Эта разработка способна преодолеть одно из ключевых препятствий в современной фотонике и стимулировать прогресс в создании чипов нового типа для искусственного интеллекта, коммуникационных систем и высокочувствительных датчиков.

Работа была выполнена сотрудниками Института физики Китайской академии наук совместно с коллегами из Гонконгского университета и другими научными учреждениями Китая. Руководителем группы стал аспирант Ван И, подчеркнувший, что новая методика предоставляет гибкую основу для производства сложных трёхмерных оптических структур, пригодную для промышленного масштабирования.

По мнению авторов исследования, предложенный подход уменьшает дистанцию между созданием уникальных фотонных устройств и их серийным выпуском. Это может стать значительным прорывом в области трехмерной интегрированной оптоники, применяемой в передовых вычислительных комплексах, телекоммуникациях и технологиях обработки информации.

Классические способы формирования оптических элементов нередко предполагают применение сфокусированных пучков заряженных частиц для последовательного создания компонентов. Этот метод гарантирует высокую аккуратность, однако существенно замедляет производственный цикл и делает разработку многослойных фотонных микросхем крайне трудоёмкой и затратной.

Специалисты из Китая предложили альтернативный способ – параллельную обработку, позволяющую трансформировать плоские наноструктуры в сложные трёхмерные конфигурации сразу же на всей кремниевой подложке размером 10 сантиметров. Это дает возможность одновременного изготовления большого количества элементов, что существенно увеличивает производительность.

Учёные заявили, что новая технология демонстрирует угловую равномерность более чем на 97 процентов и уменьшает время производства в сотни раз по сравнению с методами, использующими фокусированные пучки ионов. Этот результат позволяет организовать массовое производство сложных оптических компонентов при сохранении точности измерений в нанометровом диапазоне.

Использование сфокусированных ионных потоков находит применение в точной обработке поверхностей и анализе состава веществ уже продолжительное время. Тем не менее, китайская инновация открывает возможности для решения некоторых существующих проблем данной технологии. Новая методика предполагает использование широкого ионного пучка, что позволяет одновременно модифицировать тысячи двумерных наноструктур и формировать из них трёхмерные объекты.

В основе новой технологии лежит сочетание ионной эрозии с принципом самоорганизации, напоминающим искусство складывания бумаги оригами. Данный подход даёт возможность формировать сложные трёхмерные фотонные структуры непосредственно на поверхности пластины, при этом сохраняя высокую степень детализации.

Появление этой разработки произошло в контексте всемирной конкуренции за создание более производительных и экономичных вычислительных систем. Ведущие мировые корпорации и научные организации активно инвестируют средства в фотонные вычисления и оптические соединения, которые могут послужить фундаментом для перспективных систем искусственного интеллекта.

В настоящее время такие компании как Intel, TSMC, Ayar Labs и Lightmatter работают над созданием кремниевой оптоники и оптических соединений для увеличения скорости вычислений. Параллельно исследовательские центры, включая бельгийский Imec и японскую NTT, разрабатывают новые платформы интегральной фотоники.

Китай также укрепляет свои позиции в этой сфере посредством исследований, проводимых Китайской академией наук и технологическими компаниями, включая Huawei. Специалисты полагают, что переход от двумерных к трёхмерным оптическим структурам позволит создавать более компактные микросхемы, снизить влияние искажений при передаче данных и реализовать функциональность, недоступную для традиционных схем.

Основное препятствие на пути развития подобных технологий заключалось в сложностях производства, поскольку создание сложных структур представляло трудность при массовом выпуске. Новая методика преодолевает эту проблему за счёт одновременного формирования тысяч элементов, что может ускорить появление серийных трёхмерных фотонных чипов для будущих вычислительных систем.