Imec
Doppelter Durchbruch in der Siliziumphotonik
Imec und die Universität Gent integrieren erstmals Lithiumniobat- und Lithiumtantalat-Modulatoren per Mikro-Transferdruck auf Siliziumphotonik. Die Technologie ebnet den Weg für energieeffiziente optische Interconnects mit Datenraten bis 400 Gb/s für KI- und Rechenzentrumsanwendungen.
Die zunehmende Verbreitung von Cloud-Computing und KI – und die damit verbundenen enormen Datenströme – steigern den Bedarf an extrem schnellen und energieeffizienten optischen Verbindungen innerhalb und zwischen Rechenzentren. Diese müssen Datenraten deutlich über den heutigen 200 Gb/s hinaus ermöglichen. Die heterogene Integration neuer Materialien auf Siliziumphotonik-Plattformen wird elektrooptische Modulatoren und Detektoren der nächsten Generation für Kurzstrecken-Interconnects ermöglichen.
Ein besonders vielversprechendes Material ist Lithiumniobat (LiNbO₃), das sich aufgrund seines hohen elektrooptischen Koeffizienten ideal für Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme eignet. Ein weiterer Kandidat ist Lithiumtantalat (LiTaO₃), das sich durch eine hohe elektrooptische Stabilität, eine hohe Belastbarkeit gegenüber starken optischen und elektrischen Feldern und hohe und eine UV-Transparenz auszeichnet – alles Eigenschaften, die es für Hochleistungs- und temperaturkritische Anwendungen sowie für kürzere Wellenlängen prädestinieren.
Beide Materialien enthalten jedoch Lithium, was ihre Kompatibilität mit Standard-CMOS-Fertigungsprozessen erschwert. Auch die Integration anderer Komponenten, wie z. B. Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren, neben diesen Materialien ist alles andere als trivial.
Zur Lösung dieser Herausforderungen werden verschiedene Integrationsansätze untersucht. Das Wafer-Bonden wurde beispielsweise für Lithiumniobat demonstriert, doch dieses Verfahren ist nach wie vor kostspielig und ineffizient, da ein Großteil des Materials nach dem Bonden wieder entfernt werden muss und viele zusätzliche Verarbeitungsschritte nach dem Bonden erforderlich sind. imec hat ein neues Verfahren entwickelt: den Mikro-Transferdruck, er ist eine vielversprechende Alternative für die heterogene Integration von LiNbO₃ und LiTaO₃ auf einer Silizium-Photonik-Plattform.
Erster entscheidender Durchbruch
Auf der diesjährigen European Conference on Optical Communication (ECOC) haben Forscher des imec und der Universität Gent eine unverstärkte optische Verbindung im O-Band mit 320 Gb/s über eine 2 km lange Standard-Single-Mode-Faser gezeigt. Diese basiert auf neuartigen Hochgeschwindigkeitsschaltungen, die vollständig mit Standard-CMOS-Prozessen kompatibel sind.
Als Weltneuheit nutzt der Demonstrator eine breitbandige 100-GHz-Germanium-Photodiode sowie per Mikro-Transferdruck integrierte Dünnfilm-Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Modulatoren (MZMs) auf imecs Silizium-Photonik-Plattform. Diese sind zusammen mit speziell entwickelten Wanderwellen-Treibern und Transimpedanz-Verstärkern (TIAs) in einem Gehäuse untergebracht.
Jobangebote+ passend zum Thema
Damit ist imec der erste Akteur, dem eine nahtlose Integration von Dünnschicht-LiNbO₃-Bauelementen auf Silizium-Photonik gelungen ist. Die Arbeiten des Teams umfassten die Anpassung und Optimierung geeigneter Prozessabläufe für die Siliziumphotonik sowie die gemeinsame Entwicklung von photonischen und elektronischen integrierten Schaltungen (PICs und EICs) für eine maximale Leistung. Der Demonstrator zeigt einen möglichen Weg zu optischen Verbindungen mit 400 Gb/s pro Kanal.
Zweiter entscheidender Durchbruch
Imec hat noch einen weiteren Durchbruch erreicht, der in einem kürzlich erschienenen Artikel in Nature Photonics beschrieben wurde: die erste heterogene Integration eines LiTaO₃-Modulators auf einem siliziumphotonischen Schaltkreis.
Imec hat dafür den gleichen Mikro-Transferdruck genutzt, wie für Lithiumniobat, so dass gewährleistet ist, dass dieses Verfahren mit dem gesamten Wafer-Stack kompatibel ist. Er ermöglicht die nahtlose Integration mit anderen Komponenten wie Heizstrukturen, Filter und Germanium-Photodetektoren - ohne deren Leistung zu beeinträchtigen.
»Unsere Arbeiten zeigen, dass sich die Mikro-Transferdruck-Technologie auch auf Lithiumtantalat übertragen lässt und damit äußerst vielseitig ist«, erklärt Margot Niels, Erstautorin der Forschungsarbeit. »Das gibt uns die Zuversicht, künftig auch neue Materialien effizient in Siliziumphotonik integrieren zu können.«
Fazit
Diese Forschungsergebnisse sind ein Beispiel für das Bestreben von imec, die Grenzen des Designs von optischen und elektronischen Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu erweitern. Auch wenn noch viel zu tun bleibt, bevor der Ansatz vollständig für die kommerzielle Nutzung ausgereift ist, ist die Erforschung neuer Materialien und die Integration dieser Neuerungen in Konzeptnachweisen der nächsten Generation ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum Meilenstein der optischen 400-Gb/s-Verbindungen.
Autoren:
Bart Kuyken ist Professor in der Photonics Research Group vom imec an der Universität Gent (Belgien). Er leitet ein Team von rund zwanzig internationalen Forschern, das sich mit der Integration neuer optischer Materialien in Siliziumhalbleitern beschäftigt, um zukünftige Kommunikationsnetze schneller und energieeffizienter zu machen.
Margot Niels erhielt ihren BSc- und MSc-Abschluss in Elektronik und IKT-Technik an der Universität Gent, Belgien, in den Jahren 2019 bzw. 2020. Im Jahr 2022 erlangte sie an der Universität Gent einen weiteren MSc in Elektrotechnik. Während ihrer Abschlussarbeit über eine photonische Silizium-Butler-Matrix arbeitete Margot mit der Photonik-Forschungsgruppe des imec an der Universität Gent zusammen, wodurch ihr Interesse an der Photonik geweckt wurde. Im September 2022 trat sie der Photonics Research Group als Doktorandin bei, wo sie derzeit einen optischen Phasenregelkreis auf einer photonischen Lithiumniobat-Siliziumnitrid-Plattform entwickelt.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
imec
Jensen Huang erhält imec-Award
Akademische Exzellenz in Europa nutzen
Universitätskonsortium rund um die nächste IC-Generation
NanoIC-Pilotlinie
Zwei neue Interconnect-PDKs
