Technologia plazmoniczna toruje drogę do masowej produkcji wysokowydajnych układów scalonych

Technologie fotoniczne odgrywają niezwykle ważną rolę w gospodarce europejskiej i światowej, stymulując innowacje w sektorach takich jak technologie informacyjno-komunikacyjne, medycyna, energetyka, wojskowość, produkcja, rolnictwo oraz technologie kosmiczne. Wraz z coraz większym upowszechnianiem się tej technologii w różnorodnych zastosowaniach coraz ważniejsze staje się znalezienie sposobów na masowe produkowanie układów fotonicznych przy zapewnieniu niskich kosztów wytwarzania. W praktyce oznacza to łączenie technologii ze znormalizowanymi procesami produkcyjnymi, zgodnymi z zaawansowanymi technologiami elektronicznych układów scalonych. Innymi słowy, poszukiwanym rozwiązaniem jest możliwość zespolenia elementów fotonicznych i elektronicznych w jednym układzie scalonym.

Problemem z zastosowaniem takiego rozwiązania są niezgodne wymiary urządzeń. Wielkości elementów elektronicznych są mierzone w nanometrach, natomiast układy fotoniczne są wytwarzane w skali mikro- oraz milimetrów. Wyzwanie rozwiązania tego problemu podjął finansowany przez Unię Europejską projekt PLASMOfab, w ramach którego naukowcom udało się znaleźć skuteczną receptę – plazmonikę. Dziesięciu partnerów przemysłowych połączyło siły z instytutami akademickimi i badawczymi, aby wykorzystać wspólną wiedzę i doświadczenie w dziedzinie fotonicznych układów scalonych oraz optoelektroniki w celu stworzenia plazmofotonicznego układu scalonego. Pozytywne rezultaty projektu umożliwiają rozpoczęcie masowej produkcji tych podzespołów, charakteryzujących się najwyższą dostępną wydajnością.

Prace zespołu PLASMOfab zaowocowały przełomowymi postępami w rozwoju technologii wykorzystywanej w optycznej transmisji danych oraz bioczujnikach do zastosowań przyłóżkowych. Naukowcom udało się skutecznie opracować elementy plazmoniczne zgodne z technologią CMOS – tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa – wykorzystywaną szeroko w urządzeniach elektronicznych, a następnie wykorzystać nowe odkrycie w celu konsolidacji zaawansowanych układów fotonicznych z elementami elektronicznymi w procesie produkcji masowej. Znormalizowane procesy produkcji układów CMOS zostały wykorzystane do połączenia zgodnych z tymi układami metali, takich jak aluminium, azotek tytanu i miedź, a także struktur fotonicznych z elementami elektronicznymi.

Kluczowe osiągnięcia

Głównym osiągnięciem projektu było opracowanie nowatorskiego, wyjątkowo kompaktowego nadajnika plazmonicznego. Urządzenie o wymiarach wynoszących zaledwie 90 x 5,5 µm² oferuje możliwość transmisji danych z prędkością 0,8 Tbit/s (800 Gbit/s) przy pomocy czterech osobnych nadajników o przepustowości 0,2 Tbit/s. Zespół projektowy zademonstrował również możliwości zagwarantowania niskich strat propagacji przy użyciu zgodnych z CMOS aluminiowych falowodów plazmonicznych, zintegrowanych z układami fotonicznymi z azotku krzemu. Wyniki przeprowadzonych przez nich badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Scientific Reports”.

W wypowiedzi Nikosa Plerosa, adiunkta greckiego Uniwersytetu Arystotelesa w Salonikach, który pełni rolę koordynatora projektu, przytoczonej w informacji prasowej opublikowanej w witrynie internetowej „Synopsys” czytamy, że „głównym celem projektu PLASMOfab było zaspokojenie stale rosnącego zapotrzebowania na energooszczędne, niewielkie, złożone, masowo wytwarzane fotoniczne układy scalone, charakteryzujące się wysoką wydajnością i doskonałymi osiągami”. „Udało nam się to osiągnąć dzięki opracowaniu rewolucyjnej, a jednocześnie zgodnej z technologią CMOS platformy produkcyjnej umożliwiającej bezproblemową integrację aktywnych elementów plazmonicznych z podzespołami fotonicznymi i elektronicznymi”.

Partnerzy oczekują, że dalszy rozwój technologii pozwoli na zaprezentowanie widocznych korzyści zastosowania zgodnych z technologią CMOS rozwiązań plazmonicznych w fotonicznych układach scalonych. Połączenie najlepszych elementów wszystkich trzech dziedzin – plazmoniki, fotoniki i elektroniki – w ramach jednej platformy pozwoli na opracowywanie fotonicznych układów scalonych o niespotykanej dotąd wydajności i funkcjonalności, wykorzystywanych w wielu zastosowaniach i zaspokajających wiele potrzeb przemysłu, jednocześnie umożliwiając ich masową produkcję”, wyjaśnia dr Dimitris Tsiokos z Uniwersytetu Arystotelesa, główny badacz projektu.

Projekt PLASMOfab (A generic CMOS-compatible platform for co-integrated plasmonics/photonics/electronics PICs towards volume manufacturing of low energy, small size and high performance photonic devices) dobiegł końca w grudniu 2018 roku. Badania przeprowadzone w ramach projektu doprowadziły do powstania dwóch nowych przedsiębiorstw zajmujących się wprowadzeniem nowych technologii na rynek.

Więcej informacji:
strona projektu PLASMOfab