Ученые преодолели главный барьер кремниевой фотоники, добавив новые материалы в чипы

Учёные предлагают объединять кремний с другими материалами на одном фотонном чипе для создания более быстрых систем передачи данных

Развитие систем искусственного интеллекта усугубляет проблему пропускной способности традиционных электрических соединений в вычислительных системах. Одним из решений, рассматриваемых в современных исследованиях, является кремниевая фотоника — технология, использующая фотоны для передачи данных вместо электронов, что способствует увеличению скорости обмена информацией и снижению задержек. Однако существует ограничение: стандартные методы производства кремниевых чипов не позволяют легко интегрировать материалы с различными свойствами.

Исследование, опубликованное в Journal of Lightwave Technology, указывает на то, что технология микропереноса (MTP) может стать способом соединения кремниевой фотоники с другими полупроводниковыми материалами. Этот подход дает возможность добавлять на кремниевые фотонные платформы миниатюрные компоненты из материалов, которые нельзя напрямую встроить в стандартный CMOS-процесс (технологию, используемую для производства большинства современных микросхем).

Кремниевая фотоника уже активно используется в фотонных интегральных схемах (PIC) для телекоммуникаций и центров обработки данных. Тем не менее, обычные кремниевые материалы не могут выполнять все необходимые функции для сложных фотонных систем, например, генерировать свет непосредственно на чипе. Для этого требуются другие материалы, такие как полупроводники III–V групп и литий-ниобат, обладающие необходимыми оптическими свойствами.

В технологии MTP сначала изготавливаются тонкоплёночные устройства на отдельной исходной пластине. Затем специальный эластомерный штамп захватывает выбранные компоненты и переносит их на целевую кремниевую пластину. После этого элементы фиксируются с помощью клеевого или прямого соединения по технологии MTP, образуя единую фотонную систему из различных материалов.

Главное преимущество MTP заключается в том, что различные части фотонного чипа можно производить независимо друг от друга, используя оптимальные технологии для каждого материала, а затем объединять в одной архитектуре. Это открывает возможность создания «кремниево-фотонных» систем с лазерами, модуляторами и другими компонентами, которые раньше было трудно совместить на одной платформе.

Среди уже продемонстрированных применений MTP — системы для обработки оптических и микроволновых сигналов, лазеры из арсенида галлия (GaAs) для виртуальной реальности, квантовых технологий и микроволновой фотоники, а также интеграция литий-ниобатных модуляторов с фотонными схемами на основе нитрида кремния.

Авторы исследования также представили пилотную линию для разработки ключевых этапов MTP для промышленного массового производства. Среди оставшихся задач они выделяют работу над улучшением стабильности системы: повышение выхода компонентов, надёжности, скорости производства и создание устойчивой производственной инфраструктуры. По мнению команды, дальнейшее развитие технологии может привести к промышленному выпуску сложных кремниевых фотонных систем для различных секторов.