Главный барьер кремниевой фотоники снят: учёные научились добавлять в чипы новые материалы

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

Рост систем искусственного интеллекта усиливает проблему пропускной способности традиционных электрических соединений внутри вычислительных систем. Одним из решений в современных исследованиях выглядит кремниевая фотоника — технология, которая передаёт данные с помощью фотонов, а не электронов, что позволяет увеличить скорость обмена информацией и снизить задержки. Однако у неё остаётся ограничение: стандартное производство кремниевых чипов не позволяет легко добавлять материалы с другими свойствами.

Исследование, опубликованное в Journal of Lightwave Technology, показывает, что технология micro-transfer printing (MTP, микроперенос) может стать способом объединить кремниевую фотонику с другими полупроводниковыми материалами. Такой подход позволяет добавлять на кремниевые фотонные платформы отдельные миниатюрные компоненты из материалов, которые невозможно напрямую встроить в стандартный CMOS-процесс (технологию производства большинства современных микросхем).

Кремниевая фотоника уже широко используется в фотонных интегральных схемах (PIC) для телекоммуникаций и центров обработки данных. Однако обычные кремниевые материалы не способны выполнять все функции, необходимые для сложных фотонных систем, например генерировать свет непосредственно на чипе. Для этого нужны другие материалы, включая полупроводники III–V групп и литий-ниобат, обладающие подходящими оптическими свойствами.

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

Главное преимущество MTP заключается в том, что разные части фотонного чипа можно производить независимо друг от друга с использованием оптимальных технологий для каждого материала, а затем объединять в одной архитектуре. Это открывает возможность создавать «кремниево-фотонные» системы с лазерами, модуляторами и другими компонентами, которые раньше было сложно 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 под промышленное массовое производство. Среди оставшихся задач они выделяют работу над оттачиванием 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 отраслей.