Лазери на базі квантових точок для кремнієвих чипсетів

Дослідники з США успішно інтегрували лазери на основі квантових точок (QD) з арсеніду індію в монолітні кремнієві фотонні чипсети.

Інтеграція лазерів у кремній є ключовою технологією для зниження енергоспоживання AI-чіпів у дата-центрах у міру збільшення швидкості міжз'єднань. Наприклад, Nvidia співпрацює з TSMC над створенням кремнієвої фотонної системи зі спільною упаковкою оптики (CPO) з продуктивністю 1,6 Тбіт/с на основі мікрокільцевих резонаторів для чипсетів.

Однак інтеграція лазерів була серйозною проблемою, оскільки кремній і матеріали III-V мають розбіжності за постійною решіткою і коефіцієнтом теплового розширення. Це призводить до дефектів у вигляді дислокацій нитки (TD) і дислокацій невідповідності (MD), які погіршують характеристики пристрою. 

Доктор Розалін Косцица (Rosalyn Koscica) з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі та її команда об'єднали три ключові концепції: поглиблені кремнієві кишені для вирощування матеріалів III-V, двоступеневий процес епітаксії з використанням MOCVD і MBE, а також підхід із заповненням зазору полімерним фасетом, який мінімізує розбіжність оптичного променя в зазорі. Це дозволяє монолітно інтегрувати лазери на квантових точках з арсеніду індію (InAs) в кремнієві фотонні чипсети. Ці лазери на квантових точках, що використовують O-діапазон, мають меншу дисперсію, ніж інші типи лазерів, такі як VCSEL, а також вищу температурну стабільність.  

«Наші інтегровані QD-лазери продемонстрували високу температуру генерації до 105°C і термін служби 6,2 року при роботі при температурі 35°C», — каже Розалін Косцица.

Для підвищення ефективності цей процес може бути застосований в лінії CMOS на кремнії на ізоляторі (SOI) на 300-мм пластинах. Початкові кремнієві фотонні компоненти виготовляються на 300-мм кремнієвій пластині на ізоляторі (SOI) на фабриці AIM Photonics.

У процесі 300 мм створюються компоненти кремнієвої фотоніки, вбудовані в оболонку з 4 мкм SiO₂, яка покриває всю пластину з обробленими на заводі кільцями мікрорезонатора з кремнію і хвилеводами з нітриду кремнію (SiN). Приблизно 5% поверхні SiO₂ літографічно структурується і витравлюється для відкриття прямокутних кишень з поглибленою Si-основою для епітаксіального росту III-V.

Глибина поглиблення Si розрахована з урахуванням передбачуваного епітаксіального шару для оптимального вирівнювання між оптичними режимами лазера і вхідного з'єднувача хвилеводу. Кишені мають розміри 50 мкм на 4 мм, що дозволяє максимально підвищити продуктивність пристрою, зберігаючи при цьому необхідну вузьку площу пристрою, необхідну для високощільної інтеграції.

При тестуванні чіп-модулі з монолітно інтегрованими лазерами продемонстрували досить низькі втрати зв'язку, ефективно працюючи на одній довжині хвилі O-діапазону всередині чіп-модулів. Довжина хвилі O-діапазону є кращою, оскільки вона дозволяє передавати сигнали всередині фотонних пристроїв з низькою дисперсією. Лазерне випромінювання на одній частоті досягається за допомогою кільцевих резонаторів з кремнію або розподілених відбивачів Брегга з нітриду кремнію.

Пропонована техніка інтеграції може бути застосована до різних конструкцій фотонних інтегральних схем.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI