EPFLとUCSB､集積光周波数コムのスケーラブル製造

July, 5, 2021, Santa Barbara--EPFLとUCSBの協働で､待望のブレイクスルーを達成し､マイクロプロセッサやメモリチップ構築に使用されるCMOS技術を実証した｡それは､チップスケール光周波数コムのウエハスケール製造を可能にする｡

光周波数コムは､等間隔レーザラインでできた光周波数で構成されている｡それらはすでに､周波数計測､タイミング､分光学の分野に変革をもたらしいている｡EPFLのTobias J. Kippenberg教授ラボによる｢ソリトンマイクロコム｣の発見は､過去10年で､周波数コムのチップでの生成を可能にした｡このスキームでは､シングル周波数レーザが､散逸カーソリトンと呼ばれる超短パルスに変換される｡

ソリトンマイクロコムは、チップスケール周波数コムであり､コンパクト､省エネ､広帯域である｡コム｢ティース｣の大きな間隔を比較すると､マイクロコムは､幅広いアプリケーションに比類なく適している｡データセンタのテラビットコヒレント通信､太陽系外惑星探査向けの天文分光計や神経形態学コンピューティング､光原子時計､絶対周波数シンセサイザ､パラレルコヒレントLiDARなど｡

とは言え､一つの未解決の課題は､レーザ光源の集積である｡マイクロコムは､パラメトリック周波数変換(1周波数の2光子が消滅させられ､2つの新しいフォトンペアが､より高い､また低い周波数で生成される)によってチップ上で生成されるが､ポンプレーザは一般にオフチップであり大きい｡マイクロコムとレーザを同一チップに集積することにより､ソリトンマイクロコムの量産が可能になる｡これには､シリコンフォトニクス向けに開発され十分に確立されたCMOS技術を使うが､これは過去10年未解決の課題だった｡

ソリトンマイクロコムが形成される非線形光マイクロ共振器では､窒化シリコン(Si3N4)が､主要プラットフォームとして出てきた｡それが超低損失であり､可視から中赤外まで広い透明ウインドウ､2光子吸収の欠如､ハイパワーハンドリング能力によるものである｡しかし､超低損失Si3N4マイクロ共振器の実現は､チップスケールソリトンマイクロコムの量産にはまだ不十分である｡チップスケール駆動レーザの共集積が必要となるからである｡

15年前に､UCSBの電気､材料教授､John Bowersが､シリコンウエハにレーザを集積する方法を開発した｡シリコンは間接バンドギャップであり､発光できないので､研究者はレーザ利得セクション形成のために､InP半導体をシリコンウエハに結合する｡この異種集積レーザ技術は、今では､光インタコネクトに広く導入されており､データセンタのサーバ間を接続する銅線インタコネクトに取って代わっている｡この変革的レーザ技術は､すでに商用化されており､Intelは年に数百万のトランシーバ製品を出荷している｡

Scienceに発表された記事では､EPFLとUCSBの2つの研究所が､超低損失Si3N4フォトニック集積回路(EPFLで製造)と半導体レーザ(UCSBで製造)とをウエハスケールCMOS技術による初の異種集積を証明している｡

その方法は主に､Si3N4基板上へのシリコンとInPの多重ウエハ結合に基づいている｡DFBレーザは､シリコンとInP層上に作製される｡1個のDFBレーザからの単一周波数出力が､下のSi3N4マイクロ共振器に供給され､そこでDFBレーザはソリトンマイクロコム形成のシーズとなり､数十の新しい周波数ラインを生み出す｡

このウエハスケール異種プロセスは､単一の100㎜径ウエハから1000を超えるチップスケールソリトンマイクロコムデバイスを作り出すことができ､商用レベル製造に役立つ｡個々のデバイスは､完全に電気制御される｡重要な点は､製造レベルは､さらに業界標準200㎜あるいは300㎜径基板にまで拡張可能なことである｡

｢われわれの異種製造技術は､3つの主流集積フォトニクスプラットフォームを統合する､つまりシリコン､InPおよびSi3N4である｡また､チップベース周波数コムの大量､ローコスト製造の下準備となる｡用途は､次世代大容量トランシーバ､データセンタ､センシングおよび計測である｣とDr Junqiu Liuはコメントしてる｡同氏は､EPFLのCenter of MicroNanoTechnology (CMi)でSi3N4製造を主導している｡

(詳細は､https://actu.epfl.ch)