Estendendo o espectro da fotônica totalmente integrada para comprimentos de onda submicrômetros

Nature volume 610, páginas 54–60 (2022) Citar este artigo

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A fotônica integrada afetou profundamente uma ampla gama de tecnologias que sustentam a sociedade moderna1,2,3,4. A capacidade de fabricar um sistema óptico completo em um chip oferece escalabilidade, peso, custo e eficiência de energia incomparáveis5,6. Na última década, a progressão de plataformas de materiais III-V puros para a fotônica de silício ampliou significativamente o escopo da fotônica integrada, combinando lasers integrados com capacidades avançadas de fabricação de alto volume da indústria eletrônica comercial7,8. No entanto, apesar das notáveis ​​vantagens de fabricação, a dependência de guias de onda baseados em silício atualmente limita a janela espectral disponível para circuitos integrados fotônicos (PICs). Aqui, apresentamos uma nova geração de fotônica integrada unindo diretamente materiais III-V com guias de onda de nitreto de silício em pastilhas de Si. Usando esta tecnologia, apresentamos um PIC totalmente integrado em energias de fótons maiores que o bandgap do silício, demonstrando blocos de construção fotônicos essenciais, incluindo lasers, amplificadores, fotodetectores, moduladores e passivos, todos operando em comprimentos de onda submicrômetros. Usando esta plataforma, alcançamos coerência e sintonização sem precedentes em um laser integrado em comprimento de onda curto. Além disso, ao fazer uso dessa energia de fóton mais alta, demonstramos excelente desempenho em altas temperaturas e larguras de linha fundamentais no nível de kHz em temperaturas elevadas. Dadas as muitas aplicações potenciais em comprimentos de onda curtos, o sucesso desta estratégia de integração abre uma ampla gama de novas aplicações fotônicas integradas.

A fotônica integrada progrediu rapidamente nas últimas duas décadas, e os passos mais cruciais em seu avanço foram o surgimento de novas plataformas de integração (Fig. 1a). A integração fotônica mais antiga foi baseada puramente em materiais III-V em substratos nativos9, nos quais componentes fotônicos ativos e passivos foram combinados em um chip para formar sistemas ópticos. Essa abordagem levou à primeira geração de tecnologias fotônicas comercialmente viáveis. Desde então, a fotônica integrada se beneficiou da expansão da indústria eletrônica, resultando na adoção em grande escala da fotônica de silício (SiPh). Embora a fabricação de III-V não tenha crescido em ritmo acelerado com o silício, é possível fabricar circuitos integrados fotônicos (PICs) em wafers de silício sobre isolador (SOI) de grande escala por epitaxia de ligação heterogênea de III-V em uma variedade de maneiras diferentes10. Aproveitando as infraestruturas de fundição de semicondutores de óxido de metal complementares maduras, a plataforma fotônica integrada SOI reduz significativamente o custo de chips fotônicos em escala.

a, A evolução de plataformas fotônicas totalmente integradas: a plataforma III-V pura depende de múltiplos recrescimentos epitaxiais para combinar estruturas ativas e passivas; III-V heterogêneo em SOI requer dois procedimentos de ligação, o método de 'corte inteligente' para produzir um filme de Si integrado e ligação III-V para transferir camadas de epitaxia III-V do substrato nativo para SOI; o III-V heterogêneo na plataforma SiN precisa apenas de deposição direta de SiN para integrar o filme de SiN e apenas um processo de ligação de wafer para adicionar a camada III-V. b, A cobertura espectral de PICs totalmente integrados: caixas representam a janela de transparência de plataformas passivas com base em diferentes materiais (InP52, GaAs53, Si54,55, SiN22,24,56) que podem ser usados ​​para PICs totalmente integrados, pontos representam a perda atual de última geração nesses guias de onda passivos e tamanhos de marcadores de wafer representam a escala máxima atual de wafer em fundições. Os ícones na parte superior representam aplicações de PICs totalmente integrados no mapa de espectro. Ícones roxos indicam aplicativos acessíveis tanto para os PICs totalmente integrados existentes quanto para a plataforma III–V/SiN deste artigo; ícones azuis correspondem a aplicações possibilitadas pela plataforma heterogênea III–V/SiN.