Estensione dello spettro della fotonica completamente integrata alle lunghezze d'onda submicrometriche

Natura volume 610, pagine 54–60 (2022)Citare questo articolo

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La fotonica integrata ha influenzato profondamente un’ampia gamma di tecnologie alla base della società moderna1,2,3,4. La capacità di fabbricare un sistema ottico completo su un chip offre scalabilità, peso, costi ed efficienza energetica senza rivali5,6. Nell’ultimo decennio, il passaggio dalle piattaforme di materiali puri III-V alla fotonica del silicio ha ampliato in modo significativo l’ambito della fotonica integrata, combinando i laser integrati con le capacità di fabbricazione avanzate e ad alto volume dell’industria dell’elettronica commerciale7,8. Tuttavia, nonostante i notevoli vantaggi produttivi, il ricorso alle guide d'onda a base di silicio attualmente limita la finestra spettrale disponibile per i circuiti integrati fotonici (PIC). Qui presentiamo una nuova generazione di fotonica integrata unendo direttamente materiali III-V con guide d'onda di nitruro di silicio su wafer Si. Utilizzando questa tecnologia, presentiamo un PIC completamente integrato a energie fotoniche superiori al bandgap del silicio, dimostrando gli elementi costitutivi fotonici essenziali, tra cui laser, amplificatori, fotorilevatori, modulatori e componenti passivi, tutti operanti a lunghezze d'onda submicrometriche. Utilizzando questa piattaforma, otteniamo coerenza e sintonizzabilità senza precedenti in un laser integrato a lunghezza d'onda corta. Inoltre, facendo uso di questa energia fotonica più elevata, dimostriamo prestazioni eccellenti alle alte temperature e larghezze di linea fondamentali a livello di kHz a temperature elevate. Date le numerose potenziali applicazioni a lunghezze d’onda corte, il successo di questa strategia di integrazione sblocca un’ampia gamma di nuove applicazioni fotoniche integrate.

La fotonica integrata ha fatto rapidi progressi negli ultimi due decenni e i passi più cruciali nel suo progresso sono stati l’emergere di nuove piattaforme di integrazione (Fig. 1a). La prima integrazione fotonica era basata esclusivamente su materiali III-V su substrati nativi9, in cui componenti fotonici attivi e passivi venivano combinati su un chip per formare sistemi ottici. Questo approccio ha portato alla prima generazione di tecnologie fotoniche commercialmente valide. Da allora, la fotonica integrata ha beneficiato dell’espansione dell’industria elettronica, con conseguente adozione in grandi volumi della fotonica del silicio (SiPh). Mentre la produzione III-V non è cresciuta di pari passo con il silicio, è possibile produrre circuiti integrati fotonici (PIC) su wafer SOI (silicio su isolante) su larga scala legando eterogeneamente l'epitassia III-V in una varietà di modi diversi10. Sfruttando infrastrutture mature e complementari di fonderia di semiconduttori-ossido di metallo, la piattaforma fotonica integrata SOI riduce significativamente il costo dei chip fotonici su larga scala.

a, L'evoluzione delle piattaforme fotoniche completamente integrate: la piattaforma III-V pura si basa su molteplici ricrescite epitassiali per combinare strutture attive e passive; il III-V eterogeneo su SOI richiede due procedure di legame, il metodo "taglio intelligente" per produrre un film di Si integrato e il legame III-V per trasferire gli strati epitassia III-V dal substrato nativo al SOI; l'eterogeneo III – V sulla piattaforma SiN necessita solo della deposizione diretta di SiN per integrare la pellicola SiN e di un solo processo di incollaggio del wafer per aggiungere lo strato III – V. b, La copertura spettrale dei PIC completamente integrati: i riquadri rappresentano la finestra di trasparenza delle piattaforme passive sulla base di diversi materiali (InP52, GaAs53, Si54,55, SiN22,24,56) che possono essere utilizzati per PIC completamente integrati, i punti rappresentano l'attuale perdita allo stato dell'arte su queste guide d'onda passive e le dimensioni dei marcatori di wafer rappresentano l'attuale scala massima di wafer nelle fonderie. Le icone sul lato superiore rappresentano le applicazioni dei PIC completamente integrati sulla mappa dello spettro. Le icone viola indicano le applicazioni accessibili sia ai PIC completamente integrati esistenti che alla piattaforma III–V/SiN di questo articolo; le icone blu corrispondono alle applicazioni rese possibili dalla piattaforma eterogenea III–V/SiN.