3D 統合により超低コストが実現

Nature volume 620、pages 78–85 (2023)この記事を引用

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27 オルトメトリック

メトリクスの詳細

フォトニック集積回路は、電気通信やデータセンターの相互接続などのアプリケーションで広く使用されています1、2、3、4、5。 しかし、マイクロ波シンセサイザー6、光ジャイロスコープ7、原子時計8などの光学システムでは、フォトニック集積回路は、サイズ、重量、消費電力、コストの点で利点があるにもかかわらず、依然として劣ったソリューションとみなされています。 このような高精度でコヒーレント性の高いアプリケーションでは、超低ノイズのレーザー光源を他のフォトニックコンポーネントとコンパクトで堅牢に位置合わせされた形式、つまりシングルチップ上に統合して、バルク光学部品やファイバーに代わるフォトニック集積回路に使用することが推奨されます。 このような構想された光集積回路の実現を妨げる 2 つの大きな問題があります。それは、半導体レーザーの高い位相ノイズと、光アイソレータを直接オンチップに集積することの難しさです。 ここでは、シリコンフォトニクスのアイソレータフリー動作を備えた超低ノイズレーザーを実現する三次元集積を活用することで、この慣習に挑戦します。 複数のモノリシックかつヘテロジニアスな処理シーケンスを通じて、III-V 族利得媒質と 1 メートルあたり約 0.5 デシベルの光損失を持つ超低損失窒化シリコン導波路の直接オンチップ統合が実証されています。 その結果、実証されたフォトニック集積回路は、超高品質係数キャビティにより、光アイソレータを必要とせずに超低ノイズレーザーやマイクロ波シンセサイザーを生み出す領域に入ります。 このようなフォトニック集積回路は、複雑な機能と大量生産のための優れた拡張性も提供し、長期にわたる安定性と信頼性も向上します。 したがって、超低損失フォトニック集積回路上での 3 次元統合は、シリコン上の複雑なシステムとネットワークに向けた重要な一歩となります。

電子集積回路 (EIC) の流れを汲むシリコン (Si) フォトニクスは、高密度、高度な機能性、および可搬性を備えた光集積回路 (PIC) を可能にすることが期待されています。 さまざまな Si フォトニクス ファウンドリが PIC 機能を急速に開発しており、変調器、光検出器、最近ではレーザーの量産が可能になっていますが、Si PIC は、マイクロ波発振器、原子物理学などの多くのアプリケーションによって課せられるレーザー ノイズとシステム全体の安定性に関する厳しい要件をまだ達成していません。および精密計測9、10、11。 半導体レーザーは、これらの用途で狭い線幅を実現するために、増幅自然放出ノイズを強力に抑制する必要があります12。 また、残りの光学システムからの絶縁も必要になります。そうしないと、レーザー光源が、PIC 設計者の制御を超えた下流の光学コンポーネントからの後方反射の影響を受けやすくなります13。 多くの統合型フォトニック ソリューションでは、レーザー チップとシステムの残りの部分の間にバルク光アイソレータを挿入する必要があり、複雑さが大幅に増加し、組み立てとパッケージングのコストも大幅に増加します14。

Si PIC の機能を強化し、マルチチップ光学パッケージングを回避するには、非グループ IV 材料をヘテロジニアスに統合して、高性能レーザー、増幅器、アイソレータなどの重要なデバイスを実現する必要があります 15、16、17。 集積アーキテクチャに関係なく、Si フォトニクスの半導体レーザーや増幅器に効率的な光利得を提供するには、III-V 族材料が必要であることが現在では広く認識されていますが、相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) ファブにとっては依然として懸念が残っています。磁性材料が組み込まれており、現在業界標準の光アイソレータに使用されています18。

幸いなことに、超低レーザー ノイズと低フィードバック感度を実現する相乗効果のある方法が存在します。レーザーに超高品質係数 (Q) キャビティを使用すると、位相ノイズが低減されるだけでなく、ダウンストリーム リンクへのフィードバック耐性も向上します。 これらの効果は、共振器の Q および超高 Q 共振器に応じて変化するため、集積レーザーに前例のないコヒーレンスと安定性が与えられると考えられます 19,20。 その重要性は 2 つあります。 まず、光アイソレータを必要とせずに超低ノイズ レーザーを Si PIC に直接統合することで、PIC の製造とパッケージングが簡素化されます。 さらに、このような完全な PIC にはアイソレータが必須ではないため、このアプローチでは CMOS 製造工場に磁性材料を導入しません。