L'integrazione 3D consente ultralow

Natura volume 620, pagine 78–85 (2023) Citare questo articolo

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I circuiti integrati fotonici sono ampiamente utilizzati in applicazioni quali telecomunicazioni e interconnessioni di data center1,2,3,4,5. Tuttavia, nei sistemi ottici come i sintetizzatori a microonde6, i giroscopi ottici7 e gli orologi atomici8, i circuiti integrati fotonici sono ancora considerati soluzioni inferiori nonostante i vantaggi in termini di dimensioni, peso, consumo energetico e costi. Tali applicazioni ad alta precisione e altamente coerenti favoriscono l’integrazione di sorgenti laser a rumore ultrabasso con altri componenti fotonici in un formato compatto e saldamente allineato, ovvero su un singolo chip, affinché i circuiti integrati fotonici sostituiscano l’ottica e le fibre sfuse. Ci sono due problemi principali che impediscono la realizzazione dei circuiti integrati fotonici previsti: l'elevato rumore di fase dei laser a semiconduttore e la difficoltà di integrare isolatori ottici direttamente sul chip. Qui sfidiamo questa convenzione sfruttando l’integrazione tridimensionale che si traduce in laser a rumore ultrabasso con funzionamento senza isolatori per la fotonica del silicio. Attraverso molteplici sequenze di elaborazione monolitiche ed eterogenee, viene dimostrata l'integrazione diretta su chip di guide d'onda in nitruro di silicio a media e bassissima perdita con guadagno III-V con perdita ottica di circa 0,5 decibel per metro. Di conseguenza, il circuito integrato fotonico dimostrato entra in un regime che dà origine a laser a rumore ultrabasso e sintetizzatori a microonde senza la necessità di isolatori ottici, grazie alla cavità con fattore di altissima qualità. Tali circuiti integrati fotonici offrono inoltre una scalabilità superiore per funzionalità complesse e produzione in serie, nonché una migliore stabilità e affidabilità nel tempo. L'integrazione tridimensionale su circuiti integrati fotonici a bassissima perdita segna quindi un passo fondamentale verso sistemi e reti complessi su silicio.

Seguendo il percorso dei circuiti integrati elettronici (EIC), la fotonica del silicio (Si) promette di consentire circuiti integrati fotonici (PIC) con densità elevate, funzionalità avanzate e portabilità. Sebbene varie fonderie di fotonica al Si stiano sviluppando rapidamente capacità PIC, consentendo la produzione in volume di modulatori, fotorilevatori e, più recentemente, laser, i PIC al Si devono ancora soddisfare i rigorosi requisiti sul rumore laser e sulla stabilità complessiva del sistema imposti da molte applicazioni come gli oscillatori a microonde, la fisica atomica e metrologia di precisione9,10,11. I laser a semiconduttore devono sopprimere fortemente il rumore di emissione spontanea amplificata per ottenere una larghezza di linea ridotta per queste applicazioni12. Richiederanno inoltre l'isolamento dal resto del sistema ottico, altrimenti la sorgente laser sarà sensibile alle riflessioni posteriori provenienti dai componenti ottici a valle che sfuggono al controllo del progettista del PIC13. In molte soluzioni fotoniche integrate, è necessario inserire un isolatore ottico sfuso tra il chip laser e il resto del sistema, aumentando significativamente la complessità, nonché i costi di assemblaggio e imballaggio14.

Per arricchire le capacità dei PIC Si ed evitare il confezionamento ottico multi-chip, i materiali non appartenenti al gruppo IV devono essere integrati in modo eterogeneo per abilitare dispositivi cruciali, inclusi laser, amplificatori e isolatori ad alte prestazioni15,16,17. È stato ormai ampiamente riconosciuto che i materiali del gruppo III-V sono necessari per fornire un guadagno ottico efficiente per laser a semiconduttore e amplificatori nella fotonica al Si, indipendentemente dall'architettura di integrazione, ma permangono preoccupazioni per una fab CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare) da incorporano materiali magnetici, attualmente utilizzati negli isolatori ottici standard del settore18.

Fortunatamente, esiste un percorso sinergico verso un rumore laser ultrabasso e una bassa sensibilità al feedback, utilizzando cavità con fattore di qualità (Q) ultraelevato per i laser che non solo riducono il rumore di fase ma migliorano anche la tolleranza del feedback ai collegamenti a valle. Questi effetti si adattano alla cavità Q e alle cavità a Q ultraelevato conferirebbero quindi ai laser integrati coerenza e stabilità senza precedenti19,20. Il significato è duplice. Innanzitutto, l’integrazione diretta di laser a rumore ultrabasso sui PIC Si senza la necessità di isolatori ottici semplifica la fabbricazione e il confezionamento dei PIC. Inoltre, questo approccio non introduce materiali magnetici in una fabbrica CMOS poiché gli isolatori non sono obbligatori per PIC così completi.