완전히 통합된 포토닉스 스펙트럼을 서브마이크로미터 파장까지 확장

Nature 610권, 54~60페이지(2022)이 기사 인용

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통합 포토닉스는 현대 사회를 뒷받침하는 광범위한 기술에 깊은 영향을 미쳤습니다1,2,3,4. 칩에 완전한 광학 시스템을 제작할 수 있는 능력은 타의 추종을 불허하는 확장성, 무게, 비용 및 전력 효율성을 제공합니다5,6. 지난 10년 동안 순수 III-V 재료 플랫폼에서 실리콘 포토닉스로의 발전은 통합 레이저와 상업용 전자 산업의 대용량 고급 제조 기능을 결합함으로써 통합 포토닉스의 범위를 크게 확장했습니다7,8. 그러나 놀라운 제조상의 이점에도 불구하고 실리콘 기반 도파관에 대한 의존도는 현재 광자 집적 회로(PIC)에 사용할 수 있는 스펙트럼 창을 제한합니다. 여기에서는 III-V 재료를 Si 웨이퍼의 질화 규소 도파관과 직접 결합하여 차세대 통합 포토닉스를 제시합니다. 이 기술을 사용하여 우리는 실리콘 밴드갭보다 큰 광자 에너지에서 완전히 통합된 PIC를 제시하고 레이저, 증폭기, 광검출기, 변조기 및 수동 소자를 포함한 필수 광자 빌딩 블록을 시연하며 모두 마이크로미터 이하의 파장에서 작동합니다. 이 플랫폼을 사용하여 우리는 단파장 통합 레이저에서 전례 없는 일관성과 조정 가능성을 달성합니다. 또한, 더 높은 광자 에너지를 활용함으로써 뛰어난 고온 성능과 고온에서 kHz 수준의 기본 선폭을 보여줍니다. 단파장에서 많은 잠재적인 응용 분야를 고려할 때, 이 통합 전략의 성공은 광범위한 새로운 통합 포토닉스 응용 분야를 열어줍니다.

통합 포토닉스는 지난 20년 동안 급속한 발전을 이루었으며, 그 발전의 가장 중요한 단계는 새로운 통합 플랫폼의 출현이었습니다(그림 1a). 최초의 광자 통합은 순전히 기본 기판의 III-V 재료를 기반으로 했으며 능동 및 수동 광자 구성 요소가 칩에 결합되어 광학 시스템을 형성했습니다. 이러한 접근 방식을 통해 상업적으로 실행 가능한 1세대 광자 기술이 탄생했습니다. 이후 통합 포토닉스는 전자 산업의 확장으로 이익을 얻었고, 그 결과 실리콘 포토닉스(SiPh)가 대량으로 채택되었습니다. III-V 제조는 실리콘과 함께 빠르게 성장하지 못했지만 III-V 에피택시를 다양한 방식으로 이질적으로 결합함으로써 대규모 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼에 광자 집적 회로(PIC)를 제조하는 것이 가능합니다10. SOI 통합 포토닉스 플랫폼은 성숙한 보완형 금속 산화물 반도체 파운드리 인프라를 활용하여 대규모로 포토닉 칩 비용을 크게 절감합니다.

a, 완전히 통합된 광자 플랫폼의 진화: 순수 III-V 플랫폼은 능동 및 수동 구조를 결합하기 위해 다중 에피택셜 재성장에 의존합니다. SOI의 이종 III-V에는 두 가지 결합 절차가 필요합니다. 통합된 Si 필름을 생성하는 '스마트 컷' 방법과 기본 기판에서 SOI로 III-V 에피택시 층을 전송하는 III-V 결합입니다. SiN 플랫폼의 이종 III-V는 SiN 필름을 통합하기 위해 SiN 직접 증착만 필요하고 III-V 층을 추가하기 위해 단 하나의 웨이퍼 본딩 프로세스만 필요합니다. b, 완전히 통합된 PIC의 스펙트럼 범위: 상자는 완전히 통합된 PIC에 사용할 수 있는 다양한 재료(InP52, GaAs53, Si54,55, SiN22,24,56)를 기반으로 하는 수동 플랫폼의 투명도 창을 나타내며, 점은 이러한 패시브 도파관의 현재 최첨단 손실과 웨이퍼 마커 크기는 파운드리의 현재 최대 웨이퍼 규모를 나타냅니다. 위쪽에 있는 아이콘은 스펙트럼 맵에 완전히 통합된 PIC의 애플리케이션을 나타냅니다. 보라색 아이콘은 이 기사의 기존 완전히 통합된 PIC와 III-V/SiN 플랫폼 모두에 액세스할 수 있는 애플리케이션을 나타냅니다. 파란색 아이콘은 이종 III-V/SiN 플랫폼을 통해 가능한 애플리케이션에 해당합니다.