Kyocera i Uniwersytet Tohoku opracowały pierwszą na świecie technologię integracji izolatorów optycznych z fotoniką krzemową

Kyocera Corporation i Instytut Badań nad Komunikacją Elektryczną (RIEC) Uniwersytetu Tohoku opracowały nową technologię integracji izolatorów optycznych z układami fotoniki krzemowej. Wykorzystuje ona wygrzewanie laserowe (laser annealing), czyli miejscową obróbkę cieplną za pomocą wiązki lasera.

Izolator optyczny stabilizuje komunikację optyczną. Pozwala na przesyłanie sygnałów świetlnych tylko w jednym kierunku, ograniczając ich odbijanie. Wyniki badań opublikowano 2 września 2026 r. w czasopiśmie naukowym „IEEE Access”, wydawanym przez Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

Według badań Kyocery z lipca 2026 r. jest to pierwsza technologia, która integruje izolator optyczny z obwodem fotoniki krzemowej przy użyciu wygrzewania laserowego.

Dlaczego opracowano tę technologię

Rozwój generatywnej sztucznej inteligencji i powiązanych z nią technologii zwiększa zapotrzebowanie na globalne sieci przesyłu danych. Fotonika krzemowa pozwala tworzyć obwody optyczne na krzemie, czyli materiale wykorzystywanym do produkcji półprzewodników. Zamiast sygnałów elektrycznych wykorzystuje światło do przesyłania i przetwarzania informacji. Dzięki temu może przyczynić się do zwiększenia szybkości i efektywności energetycznej centrów danych.

Rozwój fotoniki krzemowej zwiększa zapotrzebowanie na technologie CPO (Co-Packaged Optics). Łączą one obwody optyczne i elektroniczne w tej samej obudowie półprzewodnikowej. Skraca to ścieżki sygnału, ogranicza straty sygnału i zmniejsza zużycie energii.

W obwodach optycznych światło odbijające się z powrotem w kierunku źródła laserowego pogarsza działanie układu. Izolatory optyczne ograniczają takie odbicia. Kolejna generacja małych, zintegrowanych obwodów optycznych wykorzystujących technologię CPO będzie wymagała izolatorów optycznych, które można wytwarzać bezpośrednio na układach fotoniki krzemowej.

Izolatory optyczne zwykle wykorzystują materiał krystaliczny nazywany granatem magnetooptycznym. Aby materiał ten działał jako izolator optyczny, trzeba go podgrzać do temperatury około 600°C lub wyższej. Podgrzanie całego układu fotoniki krzemowej do takiej temperatury mogłoby jednak uszkodzić elektrody, przewody i inne elementy znajdujące się na chipie.

Kluczowym wyzwaniem było więc wygrzanie wyłącznie granatu magnetooptycznego bez przegrzewania pozostałych obszarów układu. Kyocera i Uniwersytet Tohoku opracowały w tym celu technologię monolitycznej integracji. Pozwala ona tworzyć izolatory optyczne bezpośrednio na układach fotoniki krzemowej poprzez miejscowe naświetlanie laserem obszarów wymagających obróbki cieplnej. Obie instytucje potwierdziły działanie takiego urządzenia.

Najważniejsze cechy rozwiązania

Po pierwsze, miejscowe ogrzewanie laserem umożliwia obróbkę cieplną granatu magnetooptycznego bez uszkadzania układu fotoniki krzemowej. Wiązka lasera bliskiej podczerwieni jest kierowana wyłącznie na obszar obwodu izolatora optycznego o wymiarach około 700 × 700 mikrometrów. W tym miejscu wcześniej naniesiono warstwę granatu magnetooptycznego. Laser powoduje jej krystalizację i nadaje jej właściwości potrzebne do ograniczania odbitego światła.

W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które wymagają podgrzania całego układu w piecu, opracowana technologia niemal eliminuje wpływ ciepła na sąsiednie obwody optyczne i elektrody.

Po drugie, zespół przeprowadził test izolatora optycznego zintegrowanego z układem fotoniki krzemowej. Wykorzystano urządzenie, którego działanie opiera się na interferencji światła, czyli nakładaniu się fal świetlnych. W eksperymencie porównano sygnał świetlny przesyłany do przodu z sygnałem odbitym i przemieszczającym się w przeciwnym kierunku.

Badanie potwierdziło współczynnik izolacji na poziomie 13,6 dB w zakresie długości fal wykorzystywanych w komunikacji optycznej. Oznacza to ograniczenie światła odbitego wstecz o około 95%. Obserwacje z użyciem mikroskopu elektronowego potwierdziły również, że granat magnetooptyczny w obszarze naświetlanym laserem prawidłowo skrystalizował się na krzemowym falowodzie.

Dalsze prace

Kyocera i Uniwersytet Tohoku wcześniej wspólnie opracowywały powiązane technologie izolatorów optycznych, które można integrować z obwodami optycznymi. Aby skomercjalizować te technologie, zamierzają jeszcze bardziej ograniczyć straty, zwiększyć efektywność i poprawić wydajność produkcji masowej. Współpraca ma być kontynuowana.

Wcześniejsze wspólne badania opisano w publikacji: T. Sugita i in., „Nanocomposite Garnet-Enabled Monolithically Integrated Magneto-Optical Isolator Using an Asymmetric Mach–Zehnder Interferometer”, ACS Applied Optical Materials, tom 4, nr 6, strony 1813–1820, czerwiec 2026 r., DOI: 10.1021/acsaom.6c00176.

Informacje o najnowszej publikacji:

• czasopismo: „IEEE Access”;
• tytuł: „Monolithic Magneto-Optical Mach–Zehnder Isolator Using Laser-Annealed Iron Garnet on a Silicon Waveguide”;
• DOI: 10.1109/ACCESS.2026.3729586.