Wir verändern die Zukunft von Chip-Scale-Anwendungen

Im Bereich der Photonik ist die Integration mehrerer optischer Geräte auf einem einzigen Substrat vielversprechend für eine Vielzahl von Anwendungen. Dieser revolutionäre Ansatz, bekannt als photonische Integration, bietet bemerkenswerte Vorteile, darunter geringere Größe, Kosten und Stromverbrauch. Unter den wichtigsten Integrationstechnologien in der Photonik stechen zwei hervor: die auf Indiumphosphid (InP) basierende photonische Integration und die monolithische Siliziumphotonik. Jede Technologie hat ihre einzigartigen Stärken und Schwächen.

Die InP-basierte photonische Integration gilt weithin als zuverlässige und umfassende Aktiv-Passiv-Plattform. Es bestehen jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Ausbeute und der Substratgröße. Andererseits zeichnet sich die monolithische Siliziumphotonik durch hervorragende passive Leistung, temperaturunempfindliche Modulatoren und Kompatibilität mit der Herstellung komplementärer Metalloxidhalbleiter (CMOS) aus. Das Fehlen einer Lichtquelle hat jedoch die Entwicklung dieser Technologie behindert.

Spannend ist, dass Forscher ein bahnbrechendes aktiv-passives photonisches Integrationsschema vorgeschlagen haben, das einen bemerkenswerten photonischen integrierten Schaltkreis-Chip präsentiert.

Wie berichtet in Fortschrittlicher Photonik-NexusDieser Chip kombiniert eine Lichtquelle, einen Modulator, eine Fotodiode (Gerät, das Licht in elektrischen Strom umwandelt), einen Wellenleiter (Kanal, durch den sich das Licht bewegt) und einen Y-Zweig-Splitter, alles basierend auf einer Galliumnitrid (GaN)-auf-Silizium-Plattform . Das Besondere an diesem Ansatz ist, dass alle aktiven Geräte, einschließlich Lichtquelle, Modulator und Fotodiode, auf derselben ultravioletten InGaN/AlGaN-Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) aufgebaut sind. Diese einzigartige Funktion reduziert die Komplexität und Kosten der Herstellung erheblich.

Um dieses Konzept zum Leben zu erwecken, entwarfen die Forscher den photonischen integrierten Schaltkreischip auf Basis der GaN-auf-Silizium-Plattform und nutzten epitaktische III-Nitrid-Schichten, die durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung gewachsen wurden. Der monolithische Top-Down-Ansatz baut III-Nitrid-Sender, Modulatoren, Wellenleiter, Strahlteiler, Empfänger und Monitore auf einem herkömmlichen GaN-auf-Silizium-Wafer auf und erfordert kein Nachwachsen oder Postwachstumsdotieren.

Die Forscher haben den resultierenden Chip ausführlich aus verschiedenen Perspektiven charakterisiert, um die Wirksamkeit dieses innovativen photonischen Integrationsschemas zu validieren. Die wichtigsten Ergebnisse zeigten, dass eine höhere an den Modulator angelegte Sperrspannung zu einer erhöhten Lichtabsorption führte, die durch Änderungen im Absorptionskoeffizienten verursacht wurde.

Dieser ausgeprägte Modulationseffekt spiegelte sich in den Photostromänderungen des Empfängers wider. Das Testsystem zeigte ein vernachlässigbares Übersprechen, und die Isolierung zwischen Lichtquelle und Modulator auf demselben Wellenleiter, die durch die Trennung der p-Kontaktschicht erreicht wurde, erwies sich als ausreichend für eine optimale Systemleistung.

Das System überträgt und verarbeitet Daten erfolgreich mit Licht. Durch den Einsatz direkter und indirekter Modulationen innerhalb eines einzigen Lichtpfads übertrugen die Forscher gleichzeitig zwei Arten von Daten oder verschlüsselten die Datenübertragung eines Modulationssignals mit einer anderen Modulation.

Laborleiter und leitender korrespondierender Autor Yongjin Wang vom Peter Grünberg Research Center an der Nanjing University of Posts and Telecommunications sagt: „Mit Blick auf die Zukunft birgt das vorgeschlagene Integrationsschema angesichts weiterer Fortschritte bei der III-Nitrid-Ätzgenauigkeit ein enormes Potenzial als wettbewerbsfähige Lösung für Next.“ Photonische Integration der neuesten Generation, insbesondere im Sensorbereich, wo eine hohe Integrationsdichte keine entscheidende Anforderung ist.“