Расширение спектра полностью интегрированной фотоники до субмикрометровых длин волн

Nature, том 610, страницы 54–60 (2022 г.) Процитировать эту статью

17 тысяч доступов

16 цитат

38 Альтметрика

Подробности о метриках

Интегрированная фотоника глубоко повлияла на широкий спектр технологий, лежащих в основе современного общества1,2,3,4. Возможность изготовления полной оптической системы на кристалле обеспечивает непревзойденную масштабируемость, вес, стоимость и энергоэффективность5,6. За последнее десятилетие переход от платформ из чистых материалов III–V к кремниевой фотонике значительно расширил сферу применения интегрированной фотоники за счет объединения интегрированных лазеров с крупномасштабными передовыми производственными возможностями промышленной коммерческой электроники7,8. Тем не менее, несмотря на значительные производственные преимущества, использование волноводов на основе кремния в настоящее время ограничивает спектральное окно, доступное для фотонных интегральных схем (PIC). Здесь мы представляем новое поколение интегрированной фотоники, напрямую объединяя материалы AIIIBV с волноводами из нитрида кремния на пластинах Si. Используя эту технологию, мы представляем полностью интегрированный PIC с энергией фотонов, превышающей запрещенную зону кремния, демонстрируя основные фотонные строительные блоки, включая лазеры, усилители, фотодетекторы, модуляторы и пассивные устройства, работающие на субмикрометровых длинах волн. Используя эту платформу, мы достигаем беспрецедентной когерентности и возможности настройки интегрированного лазера на коротких волнах. Кроме того, используя эту более высокую энергию фотонов, мы демонстрируем превосходные характеристики при высоких температурах и ширину основной линии на уровне кГц при повышенных температурах. Учитывая множество потенциальных применений на коротких волнах, успех этой стратегии интеграции открывает широкий спектр новых интегрированных приложений фотоники.

Интегрированная фотоника добилась быстрого прогресса за последние два десятилетия, и наиболее важными шагами в ее развитии стало появление новых интеграционных платформ (рис. 1а). Самая ранняя фотонная интеграция была основана исключительно на материалах III–V на собственных подложках9, в которых активные и пассивные фотонные компоненты объединялись на чипе для формирования оптических систем. Этот подход привел к появлению первого поколения коммерчески жизнеспособных фотонных технологий. С тех пор интегрированная фотоника выиграла от расширения электронной промышленности, что привело к массовому внедрению кремниевой фотоники (SiPh). Хотя производство III-V не развивается быстрыми темпами с появлением кремния, можно производить фотонные интегральные схемы (PIC) на крупномасштабных пластинах кремний-на-изоляторе (SOI) путем гетерогенного соединения эпитаксии III-V различными способами10. Используя зрелые взаимодополняющие литейные инфраструктуры металл-оксид-полупроводники, интегрированная фотонная платформа SOI значительно снижает стоимость фотонных чипов в больших масштабах.

а, Эволюция полностью интегрированных фотонных платформ: чистая платформа III – V опирается на множественные эпитаксиальные отростки для объединения активных и пассивных структур; гетерогенное соединение III – V на КНИ требует двух процедур соединения: метода «умной резки» для создания интегрированной пленки Si и соединения III – V для переноса эпитаксических слоев III – V с собственной подложки на КНИ; гетерогенный III – V на платформе SiN требует только прямого осаждения SiN для интеграции пленки SiN и только одного процесса соединения пластин для добавления слоя III – V. б, Спектральный охват полностью интегрированных ПОС: прямоугольники представляют окно прозрачности пассивных платформ на основе различных материалов (InP52, GaAs53, Si54,55, SiN22,24,56), которые можно использовать для полностью интегрированных ПОС, точки представляют собой текущие потери в этих пассивных волноводах и размеры маркеров пластин представляют собой текущий максимальный масштаб пластин на литейных заводах. Значки в верхней части обозначают применение полностью интегрированных PIC на карте спектра. Фиолетовые значки обозначают приложения, доступные как для существующих полностью интегрированных PIC, так и для платформы III – V/SiN, описанной в этой статье; синие значки соответствуют приложениям, которые стали возможными благодаря гетерогенной платформе III–V/SiN.

3). SiN and III–V structures have been integrated on the same substrate to form highly coherent lasers and microcombs at telecommunication wavelengths, but only with an intermediary Si layer for passive–active transitions, which still prohibits short-wavelength operation25,26./p>700 nm) for microcomb generation in the anomalous dispersion regime. Other materials, such as LiNbO3, AlN, SiC, AlGaAs and chalcogenide glass, can also be used intermittently as the media for passive waveguides, further enriching the toolbox of integrated photonics and extending the spectrum of PICs towards longer wavelengths (>10 μm) not supported by current PICs./p>