3D-интеграция обеспечивает сверхнизкие

Nature, том 620, страницы 78–85 (2023 г.) Процитировать эту статью

16 тысяч доступов

50 Альтметрика

Подробности о метриках

Фотонные интегральные схемы широко используются в таких приложениях, как телекоммуникации и межсоединения центров обработки данных1,2,3,4,5. Однако в оптических системах, таких как микроволновые синтезаторы6, оптические гироскопы7 и атомные часы8, фотонные интегральные схемы по-прежнему считаются худшими решениями, несмотря на их преимущества в размере, весе, энергопотреблении и стоимости. Такие высокоточные и высококогерентные приложения позволяют интегрировать сверхмалошумящие лазерные источники с другими фотонными компонентами в компактном и надежно согласованном формате — то есть на одном кристалле — для фотонных интегральных схем для замены объемной оптики и волокон. Существуют две основные проблемы, препятствующие реализации таких предполагаемых фотонных интегральных схем: высокий фазовый шум полупроводниковых лазеров и сложность интеграции оптических изоляторов непосредственно на кристалле. Здесь мы бросаем вызов этому соглашению, используя трехмерную интеграцию, которая приводит к созданию сверхмалошумящих лазеров с работой без изолятора для кремниевой фотоники. Благодаря множеству монолитных и гетерогенных последовательностей обработки продемонстрирована прямая интеграция на кристалле усиливающей среды III–V и волноводов из нитрида кремния со сверхмалыми потерями и оптическими потерями около 0,5 децибел на метр. Таким образом, продемонстрированная фотонная интегральная схема входит в режим, который позволяет создавать сверхмалошумящие лазеры и микроволновые синтезаторы без необходимости использования оптических изоляторов благодаря резонатору сверхвысокой добротности. Такие фотонные интегральные схемы также обеспечивают превосходную масштабируемость для сложных функций и серийного производства, а также повышенную стабильность и надежность с течением времени. Таким образом, трехмерная интеграция фотонных интегральных схем со сверхмалыми потерями знаменует собой важный шаг на пути к сложным системам и сетям на кремнии.

Следуя по пути электронных интегральных схем (EIC), кремниевая (Si) фотоника обещает создать фотонные интегральные схемы (PIC) с высокой плотностью, расширенной функциональностью и портативностью. Хотя различные предприятия по производству кремниевой фотоники быстро развивают возможности PIC, обеспечивая массовое производство модуляторов, фотодетекторов и, в последнее время, лазеров, кремниевые PIC еще не достигли строгих требований к лазерному шуму и общей стабильности системы, предъявляемых многими приложениями, такими как микроволновые генераторы, атомная физика. и прецизионная метрология9,10,11. Полупроводниковые лазеры должны сильно подавлять шум усиленного спонтанного излучения, чтобы обеспечить узкую ширину линии для этих приложений12. Им также потребуется изоляция от остальной части оптической системы, иначе источник лазера будет чувствителен к обратным отражениям от последующих оптических компонентов, которые находятся вне контроля разработчика PIC13. Во многих интегрированных фотонных решениях между лазерным чипом и остальной частью системы необходимо вставлять объемный оптический изолятор, что значительно увеличивает сложность, а также стоимость сборки и упаковки14.

Чтобы расширить возможности Si PIC и избежать многочиповой оптической компоновки, необходимо гетерогенно интегрировать материалы, не относящиеся к группе IV, для создания важных устройств, включая высокопроизводительные лазеры, усилители и изоляторы15,16,17. В настоящее время широко признано, что материалы групп III–V необходимы для обеспечения эффективного оптического усиления полупроводниковых лазеров и усилителей в кремниевой фотонике независимо от архитектуры интеграции, но все еще остаются опасения по поводу создания дополнительной фабрики металл-оксид-полупроводник (КМОП), способной обеспечить эффективное оптическое усиление полупроводниковых лазеров и усилителей в кремниевой фотонике. включать магнитные материалы, которые в настоящее время используются в оптических изоляторах промышленного стандарта18.

К счастью, существует синергетический путь к сверхнизкому лазерному шуму и низкой чувствительности обратной связи — использование резонаторов со сверхвысоким добротностью (Q) для лазеров, которые не только уменьшают фазовый шум, но и повышают устойчивость обратной связи к нисходящим каналам связи. Эти эффекты масштабируются в зависимости от добротности резонатора и резонаторов со сверхвысокой добротностью, таким образом, наделили бы интегрированные лазеры беспрецедентной когерентностью и стабильностью19,20. Значение двоякое. Во-первых, прямая интеграция сверхмалошумящих лазеров в Si PIC без необходимости использования оптических изоляторов упрощает изготовление и упаковку PIC. Более того, этот подход не требует использования магнитных материалов в производстве КМОП, поскольку изоляторы не являются обязательными для таких полных ПОС.