サンディア国立研究所、Siチップにマイクロ光チップを統合

August, 17, 2023, Albuquerque--レーザは、非常に小さいので、それを正確に見るには顕微鏡が必要になる。だが、サンディアの研究者が興奮しているのは、そのサイズだけではない。

レーザは、今では他のマイクロスケール光デバイスと統合されて、自動運転車を安全に､データセンタをより効率的に、バイオケミカルセンサをポータブルに、レーダーや他の防衛技術をより多様にできる。

サンディアは、多くの多様な材料をシリコンに集積する新しい方法で特許を取得した。半導体製造工場がマイクロチップ製造に使用する同じ出発材である。

この方法によりサンディアは、広帯域、高速光デバイスを構築することができる、これにはInPレーザ、LN変調器、Geディテクタ、低損失音響光アイソレータが含まれ、全てハイパワー光システムにとって重要なコンポーネントである。

シリコン上にレーザを構築することは、挑戦的で、並々ならぬ偉業である。これにより、半導体技術におけるアメリカのリーダーシップを拡大することができる。他の組織､UCSB、Intelなどが、類似のレーザを造っているが、サンデイは、集積できるデバイスクラスを拡大した。初めて、これらのデバイスは、光マイクロチップ上、いわゆるPIC上でいっしょに動作する。

サンディアのPatrick Chuは、「これによりUSは、海外の製造能力をリードし、依存性が少なくなる」と話している。同氏は、SandiaのMicrosystems Engineering, Science and Applications複合体の60を超えるフォトニクス研究者とエンジニアグループ、国立セキュリティフォトニックセンタの共同リーダー。

シリコンとの統合は、将来の製造への重要なステップ
シリコンは、半導体産業の生命であり、コンピュータチップを作るための素晴らしい材料である。しかし､それ自体は、レーザを造るには酷い材料である、とサンティアの研究者、Ashok Kodigalaは言う。同氏は、新しい集積プロセスの共同発明者。

同氏の挑戦は、様々な材料でできた光コンポーネントをシリコンマイクロチップ上に共存するように設計する方法だった。

この種の材料は、単に接着することはできないので、その代わりにAshokは、複雑な層で、異種(ヘテロジニアス)接合というプロセスでそれらをシリコンに融着した。

サンディアチームは、ハイブリッドシリコンデバイス作製のために、ヘテロジニアス集積技術の実証に成功した。両方ともInPとSiでできたハイブリッドレーザと増幅器、それに同じようにLNとSiでできた変調器、これはレーザから生成される光で情報をエンコードする。

さらに、ハイパワーで高速のゲルマニウム(Ge)ディテクタを開発し、同じプラットフォームでレーザと変調器に追従できるようにした。

研究チームは、チームの達成した進歩から刺激を受けているが、フォトニックチップが製造ラインから出始める前に、産業パートナーとともに、チームの方法をさらに改善する必要がある、考えている。

今後の研究では、Ashokは、単一チップ上にレーザと他の光コンポーネントを統合することを考えている。

半導体ファブは、サンディアの技術を利用できる。
サンディアは、その技術を産業移転することを目標にチップスケールレーザを開発した。チームは、商用半導体工場にある多くの同じツールを利用した、またレーザは、通信産業で一般に使用される波長で光を生成する、いわゆるCバンドとOバンドである。

「われわれは、国の研究所でこのフォトニックプラットフォームを実証したので、この技術を米国企業に移転することができる。そこでは、商用および米国政府アプリケーション向けに量産までも視野に入れることができる」(Ashok)。