Популярность облачных вычислений и искусственного интеллекта, стимулирующих огромные потоки данных, повышает спрос на сверхскоростные и энергоэффективные оптические каналы связи внутри центров обработки данных и между ними. Эти каналы должны обеспечивать скорость передачи данных, значительно превышающую современный стандарт в 200 Гбит/с. Гетерогенная интеграция новых материалов в кремниевые фотонные платформы позволит создать электрооптические модуляторы и детекторы нового поколения для таких локальных и ближних межсоединений.
Одним из выдающихся материалов является ниобат лития (LiNbO₃), известный своим высоким электрооптическим коэффициентом, что делает его отличным выбором для высокоскоростных систем оптической связи. Другой перспективный материал — танталат лития (LiTaO₃), который ценится за электрооптическую стабильность, высокий порог повреждения и прозрачность для ультрафиолетового излучения. Благодаря этим свойствам он идеально подходит для мощных, чувствительных к температуре устройств и систем, работающих на более коротких волнах.
Однако оба материала содержат литий, что затрудняет их совместимость со стандартными процессами производства КМОП-структур. Кроме того, интеграция других компонентов, таких как высокоскоростные фотодетекторы, с этими материалами также сопряжена с трудностями.
Для решения этих проблем изучаются различные подходы к интеграции. Например, был опробован метод соединения пластин из ниобата лития, но он остается дорогостоящим и неэффективным, поскольку после соединения большую часть материала приходится удалять, а также требуется множество дополнительных этапов обработки.
Компания imec представила микротрансферную печать как перспективную альтернативу для гетерогенной интеграции LiNbO₃ и LiTaO₃ на кремниевой платформе для фотоники.
На Европейской конференции по оптической связи (ECOC) исследователи из компании imec и Гентского университета продемонстрировали оптическую линию связи без усиления со скоростью 320 Гбит/с на расстоянии 2 км по стандартному одномодовому оптоволокну с использованием новых высокоскоростных интегральных схем, полностью совместимых со стандартным производством КМОП-структур.
Впервые в мире экспериментальная разработка использует высокочастотный германиевый фотодиод с полосой пропускания 100 ГГц и тонкопленочные модуляторы Маха — Цендера (ММЦ) из ниобата лития, нанесенные методом трансферной печати, на платформе кремниевой фотоники imec, в сочетании с разработанными на заказ драйверами бегущей волны и трансимпедансными усилителями (ТИУ).
Благодаря этому прорыву компания imec стала первой, кому удалось добиться полной интеграции тонкопленочных устройств на основе LiNbO₃ в кремниевую фотонику. Работа команды включала в себя адаптацию и совершенствование технологических процессов SiPh, а также совместную разработку фотонных и электронных интегральных схем (PIC и EIC) для достижения максимальной производительности. Полученный в результате прототип открывает путь к созданию оптических межсоединений со скоростью передачи данных 400 Гбит/с на канал.
Еще одно новаторское достижение, описанное в статье в Nature Photonics, — первая гетерогенная интеграция модулятора LiTaO₃ в кремниевую фотонную интегральную схему.
Этот подход, использующий ту же технологию микротрансферной печати, что и для ниобата лития, обеспечивает полную совместимость со всем пакетом пластин. Он позволяет легко интегрировать другие компоненты, такие как нагреватели, фильтры и германиевые фотодетекторы, без ущерба для их производительности.
«Основываясь на наших исследованиях ниобата лития, мы обнаружили, что тот же метод микротрансферной печати можно применять и к танталату лития, что демонстрирует его исключительную универсальность», — прокомментировала Марго Нильс, первый автор научной статьи.
«Это дает нам твердую уверенность в том, что по мере появления новых материалов мы сможем так же эффективно интегрировать их в кремниевую фотонику, тем самым заложив основу для оптических межсоединений следующих поколений».
Несмотря на то, что предстоит еще много работы, прежде чем этот подход можно будет полностью адаптировать для коммерческого использования, изучение новых материалов и внедрение этих достижений в экспериментальные разработки следующего поколения — важнейший шаг на пути к оптическому межсоединению со скоростью передачи данных 400 Гбит/с.