PhotoGeNIC — Photonics on Germanium – New Industrial Consortium
Streszczenie popularnonaukowe
Lasery VCSEL są miniaturowymi laserami półprzewodnikowymi emitującymi światło prostopadle do powierzchni płytki. Są produkowane obecnie w ogromnych ilościach i wykorzystywane m.in. w systemach rozpoznawania twarzy, kamerach 3D, transmisji danych oraz systemach LiDAR stosowanych w samochodach autonomicznych. Standardowo struktury takich laserów wytwarza się na podłożach z arsenku galu (GaAs). Projekt PhotoGeNIC bada możliwość zastąpienia tego materiału germanem (Ge), który może umożliwić zastosowanie większych płytek, poprawić jednorodność struktur, zwiększyć wydajność produkcji, poprawić odprowadzanie ciepła oraz ograniczyć koszty i oddziaływanie środowiskowe technologii.
W ramach projektu opracowywana jest technologia wzrostu epitaksjalnego i wytwarzania laserów VCSEL na podłożach germanowych oraz porównywane są ich właściwości z klasycznymi laserami wytwarzanymi na GaAs. Powstałe przyrządy mają zostać zweryfikowane w dwóch praktycznych demonstratorach: samochodowym systemie LiDAR oraz przemysłowej kamerze 3D. Projekt rozwija również nowe koncepcje VCSEL, m.in. lasery wykorzystujące rezonanse Fano oraz lasery z ultraszybkim sterowaniem kierunkiem emitowanej wiązki.
Cel projektu
Głównym celem projektu PhotoGeNIC jest opracowanie technologii wysokiej jakości laserów VCSEL wytwarzanych na wielkoformatowych podłożach germanowych oraz wykazanie, że mogą one osiągać parametry co najmniej porównywalne z konwencjonalnymi VCSEL-ami na podłożach GaAs. Projekt obejmuje rozwój technologii wzrostu epitaksjalnego metodami MOCVD i MBE, opracowanie procesów technologicznych przyrządów, ich charakteryzację oraz integrację w demonstratorach LiDAR i kamerach 3D. Ważnym celem jest także wskazanie drogi do integracji technologii VCSEL z platformami krzemowymi, CMOS i fotonicznymi układami scalonymi.
Partnerzy projektu
Konsorcjum PhotoGeNIC tworzą: Technikon Forschungs- und Planungsgesellschaft mbH, Austria – koordynator projektu, VIGO System S.A., Polska, Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki, Polska, Politechnika Łódzka, Polska, pmdindustrial GmbH, Niemcy, Centre National de la Recherche Scientifique – CNRS/LAAS, Francja, Umicore N.V., Belgia, XenomatiX, Belgia.
Rola Politechniki Łódzkiej w projekcie
Politechnika Łódzka odpowiada w projekcie przede wszystkim za modelowanie, projektowanie oraz charakteryzację nowych architektur laserów VCSEL. PŁ jest liderem pakietu WP4 „New VCSEL functionalities and designs”, poświęconego opracowaniu nowych funkcjonalności laserów, w szczególności sterowaniu kierunkiem wiązki oraz wykorzystaniu rezonansów Fano.
Zespół PŁ projektuje struktury epitaksjalne, geometrię apertur tlenkowych oraz konfiguracje sprzężonych wnęk VCSEL. Opracowuje także parametry siatek podfalowych dla VCSEL-i wykorzystujących rezonanse Fano. PŁ prowadzi symulacje oraz charakteryzację właściwości laserowych, widmowych i pola dalekiego. W ramach projektu PŁ kieruje m.in. zadaniami dotyczącymi VCSEL-a z rezonansem Fano oraz VCSEL-a ze sterowaniem kierunkiem wiązki za pomocą niezależnego wstrzykiwania prądu.
Politechnika Łódzka odpowiada również za charakteryzację elektrooptycznych właściwości statycznych VCSEL-i wykonanych na podłożach Ge i ich porównanie z odpowiednimi laserami wytwarzanymi na podłożach GaAs.
Oczekiwany wpływ projektu
Projekt może przyczynić się do rozwoju nowej generacji laserów półprzewodnikowych przeznaczonych przede wszystkim do systemów LiDAR, kamer 3D, czujników optycznych oraz zintegrowanych systemów fotonicznych. Z punktu widzenia użytkownika końcowego technologie te mają znaczenie m.in. dla rozwoju bezpieczniejszego transportu i pojazdów autonomicznych, systemów wykrywania i obrazowania przestrzennego oraz miniaturowych urządzeń elektronicznych wykorzystujących pomiar odległości i rozpoznawanie otoczenia.
Zastosowanie germanu może umożliwić zwiększenie średnicy płytek technologicznych, poprawę jednorodności struktur i wydajności produkcji oraz obniżenie jej kosztów. Projekt zakłada również korzyści środowiskowe wynikające z ograniczenia wykorzystania podłoży GaAs, możliwości recyklingu germanu oraz zmniejszenia ilości odpadów produkcyjnych. Ważną zaletą Ge są także korzystne właściwości cieplne, istotne dla gęstych matryc laserów dużej mocy.
Istotnym rezultatem naukowym projektu będzie poszerzenie wiedzy o nowych architekturach rezonatorów VCSEL, w tym wykorzystujących rezonanse Fano i sprzężone wnęki, oraz o możliwości ultraszybkiego sterowania kierunkiem emisji bez konieczności stosowania zewnętrznych elementów mechanicznych. Projekt może również otworzyć drogę do integracji laserów III–V z technologią krzemową, CMOS oraz fotonicznymi układami scalonymi.
W wymiarze gospodarczym wyniki projektu mają wspierać rozwój europejskiego przemysłu fotonicznego poprzez opracowanie technologii potencjalnie skalowalnej do produkcji masowej i zastosowań w szybko rozwijających się rynkach automotive, LiDAR i 3D sensing.
Finansowanie projektu
Projekt jest realizowany w ramach programu Horizon Europe, konkurs HORIZON-CL4-2021-DIGITAL-EMERGING-01-07 – Advanced Photonic Integrated Circuits, jako projekt typu Research and Innovation Action (RIA).
Zgodnie z budżetem przedstawionym we wniosku:
całkowita wartość kosztów kwalifikowalnych projektu: 4 788 752 EUR,
budżet Politechniki Łódzkiej: 806 800 EUR