シリコンフォトニクス技術は、異なる材料を同じプラットフォーム上で統合する製造技術によって大幅な向上が期待されています。これにより、より高速で強力な計算および通信ハードウェアの構築が可能になるかもしれません。研究者たちは、シリコンフォトニクス技術の大きな制約の一つである、標準CMOS半導体製造プロセスで使用できない材料の統合の難しさを克服する方法として、マイクロ転写印刷（MTP）を探求しています。シリコンフォトニクス技術は、データを電気信号ではなく光で伝送することで、従来の電気的相互接続における帯域幅と遅延の制限を解決するのに役立ちます。この技術は、電気通信およびデータ通信分野で広く応用されており、計算システムのデータ伝送速度に対する需要が高まるにつれて、その役割はさらに拡大する可能性があります。
しかし、シリコン材料だけでは先進的なフォトニクスシステムに必要なすべての機能を満たすことはできません。たとえば、従来のIV族半導体材料は、チップ上で直接光を生成するのに適していません。III-V族半導体やリチウムナイオブ酸などの材料はこれらの空白を埋めることができますが、これらをシリコンフォトニクス技術と組み合わせることは依然として製造上の課題です。
MTP技術がシリコンフォトニクスシステムの性能向上に寄与
研究者たちは、MTPがこれらの異なる材料システムを結合するためのより柔軟な方法を提供する可能性があると述べています。このプロセスは、ソースウェハ上で作成された薄膜デバイス、いわゆるクーポンから始まります。一層の犠牲材料が選択的にエッチングされ、柔軟な型取りデバイスが取り出され、ターゲットウェハに配置されます。印刷されたコンポーネントは、接着剤または直接結合の方法で固定されることができます。この方法により、異なる材料からの複数のデバイスを大規模なシリコンフォトニクスプラットフォームに統合することが可能になります。「ウェハレベルの異種統合を推進するさまざまな方法の中で、MTPは新興の高柔軟性技術であり、チップレベルのアセンブリとウェハレベルの処理の利点を組み合わせています。」と、ベルギーのゲント大学の陳毅（Ir. Ye Chen）は説明しました。この技術の重要な利点の一つは、各材料やコンポーネントが最適な製造プロセスを使用して生産され、その後最終的なフォトニクスプラットフォームで結合されることです。これにより、設計者はCMOS互換のシリコンフォトニクス技術が提供するスケーラビリティを犠牲にすることなく、専用チップを統合できる可能性があります。
この方法は、インジウムリンレーザーを使用して光学およびマイクロ波信号を処理するシリコンフォトニクスエンジン、シリコンナイトライド導波路と統合されたガリウムヒ素レーザー、コヒーレント通信およびレーザーライダー用の狭線幅インジウムリンレーザーなど、いくつかのフォトニクスシステムで検証されています。研究者たちはまた、リチウムナイオブ酸調整器とシリコンナイトライドフォトニック回路のウェハレベル統合、ならびに異種電子-フォトニクス光受信プラットフォームを示しました。これらのデモは、MTPの適用範囲が単一のアプリケーションを超えていることを示しています。異なる材料が協調して機能することを可能にすることで、この技術は通信、センシング、量子技術、高度な計算インフラストラクチャなど、複数の分野向けに設計されたフォトニクスシステムをサポートできます。
しかし、この技術はまだ大規模な産業展開の準備が整っていません。研究者たちは、製造歩留まり、信頼性、生産量など、いくつかの障害を特定しています。MTPが研究デモから大規模生産に移行するためには、堅牢なサプライチェーンと製造エコシステムが必要です。
これらの課題を解決するために、研究はMTPを大規模な産業製造で使用するために必要な重要な要素の開発に焦点を当てた新しい試験生産ラインを強調しています。この取り組みは、実験室規模のデモを超えたプロセスのパフォーマンスを特定するのに役立つかもしれません。「MTP技術は商業応用の初期段階にありますが、安定した進展がすぐに大規模な産業製造につながり、先進的なシリコンフォトニクス技術の道を開き、いくつかの産業に利益をもたらすと信じています。」と陳毅はまとめました。この研究は『光波技術期刊』（Journal of Lightwave Technology）に発表されました。