Кремниевая фотоника давно перестала быть лабораторным курьёзом и превратилась в одну из самых многообещающих технологий для преодоления узких мест традиционных электрических межсоединений, которые сегодня откровенно задыхаются под напором стремительно растущих запросов инфраструктуры искусственного интеллекта. Передача данных с помощью фотонов вместо электронов действительно способна решить проблемы с пропускной способностью и задержками, однако на пути к по-настоящему продвинутым фотонным системам стоит серьёзное препятствие — необходимость объединить в одном устройстве материалы, которые классическая полупроводниковая индустрия просто не умеет мирить между собой. Теперь исследователи из Бельгии показали, как технология микропереносной печати способна изящно обойти этот барьер и открыть дорогу к масштабируемому производству сложнейших фотонных интегральных схем.
Главная сила кремниевой фотоники кроется в её совместимости со стандартными техпроцессами комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник, проще говоря, с той самой КМОП-инфраструктурой, на которой десятилетиями держится выпуск микроэлектроники. Это позволяет выпускать фотонные чипы дёшево и массово, однако у медали есть обратная сторона: та же самая узкоспециализированная и вылизанная до блеска фабричная среда категорически не терпит вторжения нестандартных материалов. Обычные полупроводники из четвёртой группы таблицы Менделеева попросту неспособны удовлетворить все потребности продвинутых фотонных систем, особенно когда речь заходит о генерации света прямо на кристалле. Здесь на сцену выходят материалы вроде полупроводников III-V групп и ниобата лития, и именно для их внедрения требуются принципиально иные подходы к гетерогенной интеграции.
Свежее исследование, опубликованное в журнале Journal of Lightwave Technology, представляет микропереносную печать как многообещающий метод, сочетающий преимущества сборки на уровне отдельных кристаллов с масштабируемостью пластинного производства. Автор работы Йе Чен из Гентского университета и центра imec поясняет, что среди множества подходов к гетерогенной интеграции именно эта технология выделяется своей невероятной универсальностью. Сам процесс выглядит как высокоточная хирургическая операция: сначала на плотно заполненной исходной пластине изготавливаются тонкоплёночные устройства-заготовки, затем выборочно вытравливается жертвенный разделительный слой, после чего эластомерный штамп аккуратно подхватывает и переносит сразу несколько таких элементов на целевую пластину. Финальным аккордом становится адгезивное или прямое соединение, надёжно фиксирующее устройства на новом месте и обеспечивающее практически бесшовную коинтеграцию разнородных материалов на крупноформатных кремниевых фотонных платформах.
Одним из ключевых преимуществ метода остаётся его всеядность к материалам, позволяющая в рамках единой архитектуры собрать чиплеты, каждый из которых предварительно оптимизирован под собственный идеальный техпроцесс и лишь затем интегрирован в общую структуру с сохранением полной совместимости с КМОП-базой. Среди недавних демонстраций возможностей метода — полностью интегрированный кремниевый фотонный движок на лазерах из фосфида индия, обрабатывающий одновременно оптические и микроволновые сигналы, арсенид-галлиевые лазеры, состыкованные с волноводами из нитрида кремния для применения в виртуальной реальности, квантовых технологиях и микроволновой фотонике, а также широко перестраиваемые лазеры с узкой шириной линии для когерентной связи и лидаров. Отдельного упоминания заслуживает интеграция модуляторов на основе ниобата лития с фотонными схемами из нитрида кремния прямо на уровне целой пластины, равно как и создание гетерогенных электронно-фотонных оптических приёмников.
Исследователи не ограничиваются одними лишь лабораторными успехами и представляют новую пилотную линию, нацеленную на отработку ключевых аспектов микропереносной печати для крупносерийного промышленного производства. Впрочем, говорить о полной победе пока рано: на пути к фабрикам остаются нерешёнными вопросы выхода годных изделий, надёжности, пропускной способности самих сборочных линий и, конечно, необходимости создания надёжной и масштабируемой производственной экосистемы. Тем не менее, как заключает Йе Чен, технология пусть и находится на ранних стадиях коммерческого применения, но последовательные улучшения в скором времени приведут к масштабному индустриальному производству, которое проложит путь передовой кремниевой фотонике и принесёт плоды самым разным отраслям.
