3D 통합으로 초저가 가능

Nature 620권, 78~85페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광자 집적 회로는 통신 및 데이터 센터 상호 연결과 같은 응용 분야에서 널리 사용됩니다1,2,3,4,5. 그러나 마이크로파 합성기6, 광학 자이로스코프7 및 원자 시계8와 같은 광학 시스템에서 광자 집적 회로는 크기, 무게, 전력 소비 및 비용 측면에서 장점에도 불구하고 여전히 열등한 솔루션으로 간주됩니다. 이러한 고정밀 및 고도로 일관된 응용 분야에서는 벌크 광학 및 광섬유를 대체하기 위한 광자 집적 회로용으로 컴팩트하고 견고하게 정렬된 형식, 즉 단일 칩으로 다른 광자 구성 요소와 통합되는 초저잡음 레이저 소스를 선호합니다. 이러한 구상된 광자 집적 회로의 실현을 방해하는 두 가지 주요 문제는 반도체 레이저의 높은 위상 잡음과 광 아이솔레이터를 칩에 직접 통합하는 어려움입니다. 여기서 우리는 3차원 통합을 활용하여 실리콘 포토닉스를 위한 아이솔레이터 없이 작동하는 초저잡음 레이저를 생성함으로써 이러한 관습에 도전합니다. 여러 모놀리식 및 이종 처리 시퀀스를 통해 미터당 약 0.5데시벨의 광 손실을 갖는 III-V 이득 매질 및 초저손실 실리콘 질화물 도파관의 직접적인 온칩 통합이 시연됩니다. 결과적으로, 시연된 광자 집적 회로는 초고 품질 인자 공동으로 인해 광학 절연체가 필요 없이 초저잡음 레이저 및 마이크로파 합성기를 발생시키는 체제에 들어갑니다. 이러한 광자 집적 회로는 복잡한 기능과 대량 생산을 위한 뛰어난 확장성을 제공할 뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 향상된 안정성과 신뢰성을 제공합니다. 따라서 초저손실 광자 집적 회로의 3차원 통합은 실리콘의 복잡한 시스템 및 네트워크를 향한 중요한 단계입니다.

전자 집적 회로(EIC)의 길을 따라 실리콘(Si) 포토닉스는 고밀도, 고급 기능 및 휴대성을 갖춘 광자 집적 회로(PIC)를 가능하게 할 것을 약속합니다. 다양한 Si 포토닉스 주조소에서 변조기, 광검출기 및 최신 레이저의 대량 생산을 가능하게 하는 PIC 기능을 빠르게 개발하고 있지만 Si PIC는 아직 마이크로파 발진기, 원자 물리학과 같은 많은 응용 분야에서 요구되는 레이저 잡음 및 전체 시스템 안정성에 대한 엄격한 요구 사항을 달성하지 못했습니다. 및 정밀 계측9,10,11. 반도체 레이저는 이러한 응용 분야에서 좁은 선폭을 달성하기 위해 증폭된 자연 방출 노이즈를 강력하게 억제해야 합니다12. 또한 나머지 광학 시스템과의 격리도 필요합니다. 그렇지 않으면 레이저 소스가 PIC 설계자의 제어 범위를 벗어나는 다운스트림 광학 구성 요소의 역반사에 민감해집니다13. 많은 통합 광자 솔루션에서는 레이저 칩과 시스템의 나머지 부분 사이에 벌크 광학 절연체를 삽입해야 하므로 조립 및 패키징 비용은 물론 복잡성도 크게 증가합니다14.

Si PIC의 기능을 강화하고 다중 칩 광학 패키징을 피하려면 IV족이 아닌 재료를 이질적으로 통합하여 고성능 레이저, 증폭기 및 아이솔레이터를 포함한 중요한 장치를 활성화해야 합니다. 이제 통합 아키텍처에 관계없이 Si 포토닉스의 반도체 레이저 및 증폭기에 효율적인 광 이득을 제공하려면 III-V족 재료가 필요하다는 것이 널리 인식되었지만 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 제조 시설에 대한 우려는 여전히 남아 있습니다. 현재 산업 표준 광 아이솔레이터18에 사용되는 자성 재료를 통합합니다.

다행스럽게도 위상 잡음을 줄일 뿐만 아니라 다운스트림 링크에 대한 피드백 허용 오차를 향상시키는 레이저용 초고품질 계수(Q) 캐비티를 사용하면 초저 레이저 잡음과 낮은 피드백 감도를 향한 시너지 효과가 있는 경로가 존재합니다. 이러한 효과는 공동 Q 및 초고 Q 공동에 따라 확장되므로 통합 레이저에 전례 없는 일관성과 안정성이 부여됩니다. 그 의미는 두 가지입니다. 첫째, 광 아이솔레이터 없이 Si PIC에 초저잡음 레이저를 직접 통합하면 PIC 제조 및 패키징이 단순화됩니다. 더욱이, 이러한 완전한 PIC에는 아이솔레이터가 필수가 아니기 때문에 이 접근법은 CMOS 팹에 자성 재료를 도입하지 않습니다.