A integração 3D permite ultralow

Nature volume 620, páginas 78–85 (2023)Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Os circuitos integrados fotônicos são amplamente utilizados em aplicações como telecomunicações e interconexões de centros de dados1,2,3,4,5. Porém, em sistemas ópticos como sintetizadores de microondas6, giroscópios ópticos7 e relógios atômicos8, os circuitos integrados fotônicos ainda são considerados soluções inferiores, apesar de suas vantagens em tamanho, peso, consumo de energia e custo. Essas aplicações de alta precisão e altamente coerentes favorecem que fontes de laser de ruído ultrabaixo sejam integradas com outros componentes fotônicos em um formato compacto e robustomente alinhado - isto é, em um único chip - para circuitos integrados fotônicos para substituir óptica e fibras em massa. Existem dois problemas principais que impedem a realização de tais circuitos integrados fotônicos: o alto ruído de fase dos lasers semicondutores e a dificuldade de integração de isoladores ópticos diretamente no chip. Aqui desafiamos esta convenção aproveitando a integração tridimensional que resulta em lasers de ruído ultrabaixo com operação sem isolador para fotônica de silício. Através de múltiplas sequências de processamento monolíticas e heterogêneas, é demonstrada a integração direta no chip de guias de onda de nitreto de silício de perda média e ultrabaixa de ganho III-V com perda óptica em torno de 0,5 decibéis por metro. Consequentemente, o circuito integrado fotônico demonstrado entra em um regime que dá origem a lasers de ruído ultrabaixo e sintetizadores de micro-ondas sem a necessidade de isoladores ópticos, devido à cavidade com fator de qualidade ultra-alto. Esses circuitos integrados fotônicos também oferecem escalabilidade superior para funcionalidades complexas e produção em volume, bem como maior estabilidade e confiabilidade ao longo do tempo. A integração tridimensional em circuitos integrados fotônicos de perdas ultrabaixas marca, portanto, um passo crítico em direção a sistemas e redes complexos em silício.

Seguindo o caminho dos circuitos integrados eletrônicos (EICs), a fotônica de silício (Si) promete permitir circuitos integrados fotônicos (PICs) com altas densidades, funcionalidade avançada e portabilidade. Embora várias fundições fotônicas de Si estejam desenvolvendo rapidamente capacidades de PIC - permitindo a produção em volume de moduladores, fotodetectores e, mais recentemente, lasers - os PICs de Si ainda não alcançaram os rigorosos requisitos de ruído de laser e estabilidade geral do sistema impostos por muitas aplicações, como osciladores de microondas, física atômica e metrologia de precisão9,10,11. Os lasers semicondutores devem suprimir fortemente o ruído de emissão espontânea amplificada para obter largura de linha estreita para essas aplicações . Eles também exigirão isolamento do resto do sistema óptico, caso contrário, a fonte do laser será sensível a retrorreflexões de componentes ópticos a jusante que estão além do controle do projetista do PIC . Em muitas soluções fotônicas integradas, um isolador óptico em massa deve ser inserido entre o chip laser e o restante do sistema, aumentando significativamente a complexidade, bem como o custo de montagem e embalagem .

Para enriquecer as capacidades dos Si PICs e evitar o empacotamento óptico de múltiplos chips, os materiais não pertencentes ao grupo IV precisam ser integrados heterogeneamente para permitir dispositivos cruciais, incluindo lasers, amplificadores e isoladores de alto desempenho . Agora é amplamente reconhecido que os materiais do grupo III-V são necessários para fornecer ganho óptico eficiente para lasers semicondutores e amplificadores em fotônica de Si, independentemente da arquitetura de integração, mas ainda permanecem preocupações para uma fábrica de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) para incorporam materiais magnéticos, que são atualmente usados ​​em isoladores ópticos padrão da indústria18.

Felizmente, existe um caminho sinérgico para ruído de laser ultrabaixo e baixa sensibilidade de feedback - usando cavidades de fator de qualidade (Q) ultra-alto para lasers que não apenas reduzem o ruído de fase, mas também aumentam a tolerância de feedback para links downstream. A escala desses efeitos com a cavidade Q e as cavidades Q ultra-altas dariam aos lasers integrados uma coerência e estabilidade sem precedentes . O significado é duplo. Primeiro, a integração direta de lasers de ruído ultrabaixo em PICs de Si, sem a necessidade de isoladores ópticos, simplifica a fabricação e embalagem de PIC. Além disso, esta abordagem não introduz materiais magnéticos em uma fábrica CMOS, pois os isoladores não são obrigatórios para tais PICs completos.