レーザーとマイクロコームが統合された最初の商業的にスケーラブルなシングルチップが登場

15年前、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の電気および材料の教授であるジョンバウアーズは、シリコンチップにレーザーを統合する方法を開拓しました。 それ以来、このテクノロジーは他のシリコンフォトニクス機器とともに広く展開され、データセンターサーバーの接続に使用されていた銅配線に取って代わり、エネルギー効率を大幅に向上させています。 データトラフィックが毎年約25％増加している場合、これは間違いなく重要なタスクです。

過去数年間、バウアーズが率いる研究チームは、スイス連邦工科大学（EPFL）のトビアスJ.キッペンバーグチームと協力し、国防高等研究計画局（DARPA）のダイレクトオンチップデジタルオプティカルに参加しました。シンセサイザー（DODOS）プロジェクト。 Kippenbergチームは、一連の並列、低ノイズ、非常に安定したレーザーラインである「マイクロコーム」を発見しました。レーザーマイクロコームの多くのラインのそれぞれが情報を運ぶことができ、それは単一のレーザーが送信できるデータの量を大幅に2倍にします。



いくつかのチームが、半導体レーザーチップと独立した窒化ケイ素リング共振器チップを非常に接近させて配置し、非常にコンパクトなマイクロコームを実証しました。ただし、レーザーと共振器は別々に製造してから、互いに完全に整列させる必要があります。これは、費用と時間がかかるプロセスであるため、スケーリングできません。



Bowers研究所は、Kippenberg研究所と協力して、レーザーマイクロコームを生成できる統合オンチップ半導体レーザーと共振器を開発しました。 「Science」の新刊に掲載された、シリコン上に不均一に統合されたレーザーソリトンマイクロコームというタイトルの論文は、この目標を最初に達成した研究所の成功について説明しています。



ソリトンマイクロコムは、相互にコヒーレントなレーザーラインを放射する光周波数コムです。つまり、これらのレーザーラインは互いに一定の位相にあります。この技術は、光タイミング、測定、センシングの分野で使用されています。最近のライブデモンストレーションには、数例を挙げると、マルチビット/秒の光通信、超高速光検出および測距（LiDAR）、神経形態計算、惑星探索用の天体物理分光計のキャリブレーションが含まれます。これは強力なツールであり、通常、機能するには非常に高出力で高価なレーザーと複雑な光結合が必要です。



この研究により、半導体レーザーを低損失の非線形光学微小共振器とシームレスに統合することができます。「低損失」とは、距離によって光の強度が大幅に低下することなく、光が導波路内を伝搬できるためです。光結合は不要で、デバイスは完全に電子的に制御されます。重要なことに、この新しいテクノロジーは、業界標準の相補型金属酸化膜半導体（CMOS）互換テクノロジーを使用して、1枚のウェーハ上に数千のデバイスを製造できるため、商業規模の生産に適しています。研究者は次のように述べています。「私たちの方法は、次世代の大容量トランシーバー、データセンター、宇宙およびモバイルプラットフォーム向けのチップベースの周波数コムの大量かつ低コストの製造への道を開きます。」



このデバイスを製造する際の重要な課題は、半導体レーザーとコームを生成する共振器を異なる材料プラットフォーム上に構築する必要があることです。レーザーは、リン化インジウムなど、周期表のグループIIIおよびグループVの材料でのみ作成できますが、最高のマイクロコームは窒化ケイ素でのみ作成できます。この論文の筆頭著者であるChaoXiangは、次のように説明しています。



研究者たちは同じウェーハで継続的に作業し、UCSBの異種統合プロセスを使用してシリコン基板上に高性能レーザーを製造し、EPFLの共同研究者は、開発した「フォトニックダマスカスプロセス」を使用して、シリコンの超低損失と高Q値を実現しました。窒化ケイ素微小共振器。個々のデバイスを作成して1つずつ組み合わせるプロセスとは対照的に、ウェーハスケールのプロセスでは、直径100mmのウェーハから数千のデバイスを作成できます。この生産レベルは、業界標準の直径200mmまたは300mmにすることができます。基板上で拡張します。



デバイスが正常に動作するためには、レーザー、共振器、およびそれらの間の光学位相を制御して、「セルフロック」現象に基づく結合システムを確立する必要があります。 Xiangは、レーザーの出力部分はマイクロ共振器によって後方反射されると説明しました。レーザーからの光と共振器からの後方反射光の間で特定の位相条件に達すると、レーザーは共振器にロックされていると言われます。



Xiangは、現在のマイクロコームが約20〜30の利用可能なマイクロコームラインを生産しており、将来の目標はこの数を増やすことであると説明しました。低消費電力で各レーザー共振器から100本の結合線が得られることが望まれます。