Недавно Марго Шаналь, ученый из Франции, Катара, России и Греции, опубликовала статью под названием «Переступая порог сверхбыстрой лазерной записи в объемном кремнии» в последнем номере журнала Nature Communications. В предыдущих попытках написать сверхбыстрые лазеры на кремнии фемтосекундные лазеры совершили прорыв в структурной неспособности обрабатывать объемный кремний. Использование экстремальных значений числовой апертуры позволяет лазерным импульсам достичь достаточной ионизации для разрушения химических связей в кремнии, что приводит к необратимым структурным изменениям в кремниевых материалах.
С конца 1990-х годов исследователи записывают ультракороткие импульсы фемтосекундных лазеров в объемные материалы с широкой запрещенной зоной, которые обычно являются изоляторами. Но до сих пор для материалов с узкой запрещенной зоной, таких как кремний и другие полупроводниковые материалы, невозможно добиться точного сверхбыстрого лазерного письма. Люди работали над созданием дополнительных условий для применения 3D-лазерной записи в кремниевой фотонике и изучения новых физических явлений в полупроводниках, чтобы расширить огромный рынок кремниевых приложений.
В этом эксперименте ученые обнаружили, что даже если фемтосекундные лазеры увеличивают энергию лазера до максимальной интенсивности импульса технически, объемный кремний не может быть обработан конструктивно. Однако при замене фемтосекундных лазеров сверхбыстрыми лазерами физических ограничений в работе индукторных кремниевых структур не возникает. Они также обнаружили, что лазерная энергия должна быстро передаваться в среду, чтобы свести к минимуму потери нелинейного поглощения. Проблемы, с которыми мы столкнулись в предыдущей работе, возникли из-за малой числовой апертуры (ЧА) лазера, которая представляет собой диапазон углов, в котором лазер может проецироваться при прохождении и фокусировке. Исследователи решили проблему числовой апертуры, используя кремниевую сферу в качестве твердой иммерсионной среды. Когда лазер фокусируется в центре сферы, преломление кремниевой сферы полностью подавляется, а числовая апертура значительно увеличивается, что решает проблему записи кремниевых фотонов.
Фактически, в приложениях кремниевой фотоники трехмерное лазерное письмо может сильно изменить методы проектирования и изготовления в области кремниевой фотоники. Кремниевая фотоника считается следующей революцией в микроэлектронике, влияющей на конечную скорость обработки данных лазером на уровне чипа. Развитие технологии трехмерного лазерного письма открывает дверь в новый мир микроэлектроники.
