UGent, imec en Stanford werken samen om de fotonische functionaliteit van lithiumniobaat uit te breiden met geïntegreerde lichtbronnen

The micro-transfer printing technique allows to add different materials to the lithium niobate circuit, such as a layer of silicon and a III-V semiconductor optical amplifier. (vergrote weergave)

The micro-transfer printing technique allows to add different materials to the lithium niobate circuit, such as a layer of silicon and a III-V semiconductor optical amplifier.

(05-11-2021) Lithiumniobaat is een belangrijk materiaal voor quantumcomputing en hogesnelheidscommunicatie.

Wetenschappers van de Universiteit Gent en imec hebben hun krachten gebundeld met die van Stanford University om lichtbronnen te integreren op het lithiumniobaat fotonisch platform. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Optica. Zij demonstreerden de eerste volledig geïntegreerde laser waarvan de laserkarakteristieken gecontroleerd kunnen worden door gebruik te maken van het (quasi-)instantane elektro-optische effect dat aanwezig is in lithiumniobaat. De toevoeging van deze op III-V-halfgeleiders gebaseerde lichtbronnen aan het lithiumniobaatplatform effent de weg naar dichte integratie op waferschaal: een grote bijdrage tot commerciële levensvatbaarheid voor verscheidene toepassingen. Deze toepassingen omvatten kwantumcomputing, hogesnelheidscommunicatie en afstandsbepaling. Lasers die vrijwel ogenblikkelijk van kleur kunnen veranderen zijn zeer gewild omdat zij het mogelijk maken snel te wisselen tussen verschillende optische communicatiebanden. Bovendien kunnen zij worden gecombineerd met modulatoren met bandbreedtes van meer dan 100 GHz, die nodig zijn in de volgende generatie communicatienetwerken.

Lithiumniobaat is een zogenaamd elektro-optisch materiaal, hetgeen betekent dat de optische eigenschappen ervan kunnen worden gewijzigd door een spanning over het materiaal aan te brengen. Dit effect kan worden gebruikt om digitale gegevens op een optisch signaal in te prenten. Hierdoor speelde het materiaal een pioniersrol bij de commerciële toepassing van geïntegreerde fotonica: lithiumniobaatcomponenten waren van cruciaal belang bij de totstandbrenging van het wereldwijde web zoals wij dat nu kennen. Een meer wijdverbreid gebruik werd echter belemmerd door het gebrek aan schaalbaarheid met hoge functiedichtheid. De modulatoren zijn te groot om ze te kunnen gebruiken voor de optische interconnecties in bijvoorbeeld datacenters. In de afgelopen twintig jaar werd het veld van de geïntegreerde fotonica in plaats daarvan aangevoerd door de CMOS-compatibele silicium- en siliciumnitride platformen.

Consequente onderzoeksinspanningen gedurende deze periode hebben geleid tot een nieuw en verbeterd lithiumniobaatplatform voor geïntegreerde fotonica, met betere schaalbaarheid en in staat om het elektro-optisch effect efficiënter te exploiteren. Verscheidene recente wetenschappelijke doorbraken, zoals efficiënte frequentieomzetting of optische modulatoren met bandbreedtes van meer dan 100 GHz, werden bereikt dankzij de aantrekkelijke eigenschappen van dit platform. Aangezien het platform echter niet over de mogelijkheid beschikt om elektrisch gepompt licht op de chip te genereren, worden bij deze demonstraties externe lichtbronnen gebruikt. Hoewel dit voldoende is in een O&O-setting, verhoogt het de verpakkingskosten en verlaagt het de fabricagedoorvoer, wat een belemmering zou kunnen vormen voor commerciële toepassing.

De Universiteit Gent, imec en Stanford University hebben hun expertise gebundeld om de integratie van lichtbronnen op basis van III-V-halfgeleiders op lithiumniobaat te realiseren. Onderzoekers van het Ginzton-lab aan tanford University fabriceerden een fotonische geïntegreerde schakeling op het door hen ontwikkelde lithiumniobaatplatform. De onderzoekers van de Photonics Research Group van de Universiteit Gent gebruikten vervolgens hun ervaring in heterogene integratie om een nieuw back-end compatibel integratieproces voor de lichtbronnen te ontwikkelen, gebaseerd op de micro-transfer printing techniek. Hun werk resulteerde in de allereerste demonstratie van een volledig geïntegreerde, elektrisch gepompte laser met een elektro-optisch afstelbare golflengte en belooft een boost te geven aan toekomstige ontwikkelingen op het lithiumniobaatplatform. Bijzondere sterke punten van de gebruikte methode zijn dat de eerder geoptimaliseerde fabricageflow van de lithiumniobaatschakeling niet hoeft te worden gewijzigd, en dat de gebruikte technieken schaalbaar zijn voor productie op waferschaal. Het gerapporteerde werk werd ondersteund door subsidies van het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek - Vlaanderen, de European Research Council, Interreg, de U.S. National Science Foundation, het U.S. Department of Energy en het U.S. Air Force Office of Scientific Research.

Photonics Research Group

De Photonics Research Group van de Vakgroep Informatietechnologie aan de Universiteit Gent is actief op het gebied van fotonische integratie - meer bepaald siliciumfotonica - en de toepassingen ervan in informatie- en communicatietechnologie, in sensing en in biowetenschappen.

De groep richt zijn onderzoek op nieuwe concepten voor fotonisch geïntegreerde toestellen en schakelingen en op de bijbehorende technologieën en ontwerpmethodologieën. Dit omvat passieve en actieve fotonische componenten op basis van golfgeleiders, op basis van CMOS-compatibele materialen en processen, alsmede hybride benaderingen waarbij silicium wordt gecombineerd met andere functionele materialen. De activiteiten zijn geconcentreerd rond de telecommunicatiegolflengte van 1,55 micrometer, maar worden uitgebreid naar zowel langere golflengtes (midden-infrarood) als kortere golflengtes (zichtbaar). De infrastructuur van de groep omvat cleanroom-faciliteiten voor de interne fabricage van componenten, alsmede een verscheidenheid aan CAD-tools en meetlaboratoria. De groep is geassocieerd met het nano-electronica onderzoekscentrum imec in Leuven en gebruikt de CMOS-georiënteerde onderzoeksfaciliteiten van imec voor onderzoek naar siliciumfotonica.

imec

Imec verricht wereldwijd toonaangevend onderzoek in nano-elektronica. Imec combineert haar wetenschappelijke kennis met de innovatiekracht van haar wereldwijde partnerships in ICT, gezondheidszorg en energie. Imec levert technologische oplossingen die relevant zijn voor de industrie. In een unieke hightech omgeving zet zijn internationaal toptalent zich in om de bouwstenen te leveren voor een beter leven in een duurzame samenleving. Imec heeft zijn hoofdkantoor in Leuven, België, en heeft kantoren in Nederland, Taiwan, de VS, China, India en Japan. Het bedrijf telt meer dan 2.080 medewerkers, waaronder meer dan 670 industriële residenten en gastonderzoekers. In 2013 bedroeg de omzet (P&L) van imec 332 miljoen euro. Meer informatie over imec vindt u op www.imec.be.

Imec is een geregistreerd handelsmerk voor de activiteiten van IMEC International (een juridische entiteit naar Belgisch recht opgericht als een "stichting van openbaar nut"), imec België (IMEC vzw gesteund door de Vlaamse regering), imec Nederland (Stichting IMEC Nederland, onderdeel van Holst Centre dat gesteund wordt door de Nederlandse regering), imec Taiwan (IMEC Taiwan Co.) en imec China (IMEC Microelectronics (Shanghai) Co. Ltd.) en imec India (IMEC India Private Limited).

Meer informatie

Optica,  Vol. 8, Issue 10, pp. 1288-1289 (2021) - III/V-on-lithium niobate amplifiers and lasers 
Camiel Op de Beeck, Felix M. Mayor, Stijn Cuyvers, Stijn Poelman, Jason F. Herrmann, Okan Atalar, Timothy P. McKenna, Bahawal Haq, Wentao Jiang, Jeremy D. Witmer, Gunther Roelkens, Amir H. Safavi-Naeini, Raphaël Van Laer, and Bart Kuyken