Trenutno stanje in možnosti razvoja silicijeve fotonike. Fotonika. Moderno in funkcije. Delovanje in uporaba. Silikonski optični modulatorji

IBM je napovedal preboj na področju silicijeve fotonike – ustvarjen je bil prvi popolnoma integriran multipleksirani čip. Nova naprava bo omogočala medsebojno komunikacijo posameznih čipov z uporabo optičnih namesto elektromagnetnih valov, kar bo povečalo prepustnost na 100 GB na sekundo in več. Ta čip je nameščen na eni silicijevi matrici in je ključnega pomena za dolgoročno sprejetje optičnih tehnologij v mikroskopskem merilu. Toda zakaj so tako močna podjetja, kot sta IBM in Intel, cela desetletja preučevala silicijevo fotoniko?

V teoriji bi lahko silicijeva fotonika rešila številne glavne težave, povezane z nadaljnjo uporabo bakrenih konektorjev. Ena od glavnih težav z bakreno žico je, da je ni mogoče skalirati tako agresivno kot druge vitalne dele sodobnega procesorja. Čez določeno točko je fizično nemogoče dodatno zmanjšati bakreno žico, ne da bi pri tem ogrozili njeno delovanje in/ali rok uporabnosti. Teoretično lahko optične povezave prenašajo podatke veliko hitreje, medtem ko porabijo manj energije. Poleg tega mnoga podjetja verjamejo, da je silicijeva fotonika potrebna za ustvarjanje superračunalnikov z računalniško močjo približno enega računalništva v merilu eksa.

Na žalost je silicij slabo okolje za optične naprave, ker se obseg proizvodnje tako zelo razlikuje (optični valovod in druge komponente so veliko večji od silicija CMOS), da ni inženirskih rešitev, ki bi lahko učinkovito in poceni integrirale optične elemente v obstoječi CMOS z uporabo silicija namesto dragi alternativni materiali, kot je galijev arzenid. Zdaj je podjetje lahko namestilo čipe, ustvarjene s tehnologijo silicijeve fotonike, neposredno na procesorski modul.

Graf iz Intelove predstavitve o silicijevi fotoniki ponazarja tudi porabo energije, ki jo skušajo doseči proizvajalci. Dolgoročni načrti za silicijevo fotoniko ponujajo pasovno širino in energijo na bit informacije, ki je bakrene povezave ne morejo.
Po desetletjih dela se morda zdi silicijeva fotonika le še ena nora ideja, ki na papirju izgleda dobro, v praksi pa je popolnoma neuporabna, vendar napredek ne miruje in čeprav vrhunska podjetja, kot so IBM, Intel ali HP, morda ne bodo izdala tehnologijo na komercialno raven v bližnji prihodnosti, bo gotovo našla aplikacije v znanstvenih laboratorijih, superračunalnikih in podatkovnih centrih.

Prišla je pomlad ... In z njo prihaja čas za naslednji Intel Developer Forum (IDF), ki poteka dvakrat letno v sončni Kaliforniji in redno obiskuje druga mesta po svetu (pred kratkim v Rusiji). Še več, pomlad v tem primeru ni prišla zgolj zaradi besed – v San Franciscu, kjer IDF ponovno poteka od 1. do 3. marca v ogromnem kongresnem centru Moscone West,

Zdaj je res toplo, drevesa in grmi cvetijo, dišijo po pomladi, domačini pa hodijo po ulicah v srajcah ali lahkih jopičih, če ne dežuje. Ob tem veselem ozadju, ko sem priletel iz zasnežene Moskve, ne bi bilo tako enostavno sedeti cele dneve v konferenčnih sobah in prostorih za novinarje, prerivati ​​se med več tisoč obiskovalci in organizatorji IDF na razstavnih prostorih in ob robu. Če ne bi bilo včasih edinstvenih in vznemirljivih informacij, ki padajo na vas v velikih količinah in ne puščajo niti trenutka miru. Tudi jaz, redni obiskovalec osrednjih Intelovih forumov (pa tudi številnih drugih razstav in konferenc s podobno tematiko), ki sem takšnih dogodkov kot kaže že sita in jih dojemam skorajda kot še eno hollywoodsko uspešnico, dobro ukalupljeno po že dolgo znanem klišejev, pogosto presenetiti tok novih izdelkov, ki so jih organizatorji pripravili za udeležence IDF. Biti presenečen in mestoma celo občudovati...

Našim rednim bralcem najbrž ni treba razlagati, kaj je Intel Developer Forum in »s čim ga jedo«. Ta dogodek, ki ga že vrsto let redno prirejajo korporacija Intel in njeni najbližji prijatelji v IT delavnici, ima svoje lastne značilnosti, po katerih se razlikuje od različnih računalniških razstav (kot so CeBIT, Computex, Comdex ali CES, kjer na stotine in tisoče proizvajalcev IT izdelkov). hvalijo se s svojimi dosežki, da bi jih bolj dobičkonosno prodajali), ter z večjih svetovnih znanstvenih in tehničnih konferenc (kot je Material Research Society Meeting, IEEE in drugih podobnih, kjer na stotine vodilnih svetovnih inštitutov in raziskovalnih laboratorijev poroča o najnovejših znanstvenih odkritij, izumov in tehnologij, katerih implementacijo bo treba preučevati še vrsto let). Po mojem mnenju je IDF še vedno bližje slednjemu kot prvemu. Ker Intel, ki porabi več kot 4 milijarde dolarjev letno za raziskave in razvoj, na IDF ne poskuša pokazati toliko trenutnih in za trg pripravljenih izdelkov (mikroprocesorjev, platform itd.),

koliko industriji povedati vektor, v katerem se bo razvijala v naslednjih letih. Objaviti tiste trenutne in prihodnje tehnologije, ki jih korporacija izvaja skupaj s svojimi partnerji in drugimi IT razvijalci, pritegniti nove raziskovalce in inženirje (tj. »razvijalce«, glede na ime foruma) in po možnosti razpravljati o izvedljivosti določenih korakov znotraj celotne skupnosti IT. In čeprav je seveda do neke mere prisoten tudi »razstavno-prodajni« oris na IDF, je po mojem mnenju najbolj dragocen in zanimiv raziskovalno-tehnološki del.

Tako je "ničelni" dan trenutnega IDF, ki je potekal 28. februarja za vodilne medije in analitike z vsega sveta, predstavil več presenečenj, o katerih bom poskušal spregovoriti v tem poročilu, ki je pred zgodbo o Forumu sama.

Silicijeva nanotehnologija: pogled 20 let naprej

Prvo poročilo o ničelnem dnevu je razpravljalo o načinih, kako se lahko in se bo razvijala silicijeva tehnologija za proizvodnjo računalniških naprav v prihodnjih desetletjih. Na kratko in primitivno bi temu lahko rekli »utemeljitev Moorovega zakona za 20 let v prihodnosti«, če tako na prvi pogled banalni predpostavki ne bi podprli dih jemajočih detajlov znanstvenih raziskav na področju nanotehnologije in njihove implementacije v praksi. v industrijskih tehnologijah. Poročilo je predstavil Paulo Gargini (na sliki), direktor Intel Technology Strategy in Intel Nanotechnology Research.

Več kot uro trajajoča predstavitev je potekala v zelo hitrem tempu, nikomur ni dovolila, da bi prišel k sebi za sekundo in mirno razmislil o tem ali onem diapozitivu. Njegovo podrobno pripovedovanje bi bilo očitno koristno za nekatere naše premišljene bralce. Zajel pa bi pretirano veliko prostora (gre za kakšnih sto "resnih" diapozitivov, k vsakemu je treba dodati še veliko komentarjev). Zato bom omenil le nekaj najbolj zanimivih, po mojem mnenju, točk, še posebej, ker smo nekatere podrobnosti, ki so v njem, že opisali jaz in moji kolegi v naših člankih na podlagi rezultatov prejšnjih IDF in nedavnih »tehnoloških prebojev«. ” podjetja Intel. To gradivo bom podrobneje predstavil morda kdaj drugič.

V zadnjih 40 letih se je število elementov na silicijevih čipih vztrajno podvajalo vsaki dve leti, cena enega tranzistorja na čipu pa se je zniževala z enako hitrostjo.

Pred približno 10 leti so znanstveniki napovedovali velike težave pri prehodu na 100-nanometrske naprave, a se to na srečo ni zgodilo in zdaj imajo vodilni v industriji dobro preučene možnosti za razvoj tradicionalne silicijeve tehnologije s planarnimi tranzistorji CMOS še za nadaljnjih 10 leta (glej diapozitiv).

Potreba po bistveno novih elektronskih napravah se bo pojavila šele leta 2013, ko bodo možnosti za miniaturizacijo sedanjih naprav dejansko izčrpane.

Med obravnavanimi novimi silicijevimi napravami so nanotranzistorji z več vrati (na primer s tremi vrati), naprave na osnovi silicijevih nanocevk, ki so v celoti obdane z vrati, kot tudi naprave s kvazibalističnim transportom.

Dolgoročneje se razmišlja tudi o ogljikovih nanocevkah s premerom več nanometrov, ki lahko glede na strukturo delujejo kot kovina ali polprevodnik. Naprave, ki temeljijo na heterostrukturah InSb (z edinstveno visoko mobilnostjo), so zanimive za nanoelektroniko, glej diapozitiv.

Toda kaj se bo zgodilo po letu 2020, ko bo tehnologija CMOS izčrpala svoje zmožnosti miniaturizacije in dosegla atomsko mejo?

Takrat bo morda prišla v poštev spintronika - operiranje z magnetnimi momenti osnovnih delcev:

Nekateri ljudje govorijo tudi o kvantnih računalnikih. Za zdaj je tehnologija CMOS živa in Moorov zakon bo ostal v veljavi še vsaj 15-20 let.

Silicijeva fotonika: nov preboj

Še en zanimiv dogodek iz dneva 0 tega IDF je bilo poročilo o , ustvarjenem na silicijevem čipu pri Intelu. Strogo povedano, novica o tem se je razširila po svetu nekaj dni pred IDF (17. februarja je bil objavljen ustrezen članek v Nature in sporočilo za javnost korporacije), tukaj pa so glavni razvijalci nove naprave javno delili številne dosedanje. neznane podrobnosti in občinstvu s tovrstnimi laserji demonstriral številne kristale. Na primer, na tej fotografiji (fotografija avtorja) kristal vsebuje 8 takšnih laserjev hkrati.

Ne da bi se spuščali v podrobnosti, ugotavljamo, da so Intelovi znanstveniki morali za ustvarjanje takšnega laserja na siliciju rešiti pomemben problem - tako imenovano "dvofotonsko absorpcijo", ki je prej preprečila ustvarjanje neprekinjenega laserja na siliciju.

Uporaba silicija kot materiala za ustvarjanje laserja in večkratno ojačanje IR sevanja (zahvaljujoč velikanskemu, približno 20.000-krat Ramanovemu učinku),

Prej je bilo to problematično, saj se je Ramanov dobiček nasičil pri močnem črpanju in moč, pridobljena med nasičenjem, ni bila dovolj za ustvarjanje neprekinjenega laserja.

Dejstvo je, da energija enega infrardečega fotona (svetlobni kvant) ni dovolj, da bi ob trku z atomom kristalne mreže silicija iz njega izbil (sprostil) elektron. Če pa dva fotona trčita v atom naenkrat (kar se pogosto zgodi, ko laser intenzivno črpa zunanje sevanje), postane možna ionizacija atoma in prosti elektroni v siliciju začnejo sami absorbirati fotone in s tem preprečijo nadaljnje Ramanovo ojačanje . Težavo so rešili z ustvarjanjem tako imenovane strukture p-i-n vzdolž optičnega kanala (območja silicija z luknjasto oziroma elektronsko prevodnostjo na straneh nedopiranega optičnega kanala v siliciju, glej sliko).

Z uporabo električne pristranskosti med p- in n-območji silicija je mogoče "dvofotonske" proste elektrone učinkovito odstraniti iz območja optičnega kanala, s čimer se občutno poveča Ramanov dobiček v siliciju in ustvari neprekinjen laser.

Na podlagi te rešitve je mogoče ustvariti dve pomembni optični napravi neposredno na enem silicijevem kristalu - ojačevalnik in modulator signala.

In tudi z uporabo kaskad zrcal (ki se nahajajo neposredno na siliciju) za izdelavo optičnih komunikacijskih kanalov z več valovno dolžino in kompaktnih laserjev za različne aplikacije.

V rokah Maria Paniccie, direktorja Intel Photonic Technology Lab, je kristal novega silicijevega laserja z zveznimi valovi (desno) in tradicionalnega dragega Ramanovega optičnega ojačevalnika (levo):

Ta dosežek Intelovih zaposlenih odpira nova obzorja za razvoj silicijeve fotonike in njeno nadaljnjo implementacijo v tradicionalno mikroelektroniko.

65 nanometrov je naslednji cilj zelenograjske tovarne Angstrem-T, ki bo stala 300-350 milijonov evrov. Podjetje je Vnesheconombank (VEB) že oddalo vlogo za prednostno posojilo za posodobitev proizvodnih tehnologij, so ta teden poročale Vedomosti s sklicevanjem na predsednika upravnega odbora tovarne Leonida Reimana. Zdaj se Angstrem-T pripravlja na zagon proizvodne linije za mikrovezja s topologijo 90 nm. Plačila prejšnjega posojila VEB, za katero je bilo kupljeno, se bodo začela sredi leta 2017.

Peking zlomi Wall Street

Ključni ameriški indeksi so prve dni novega leta zaznamovali z rekordnim padcem, milijarder George Soros je že opozoril, da se svet sooča s ponovitvijo krize iz leta 2008.

Prvi ruski potrošniški procesor Baikal-T1 s ceno 60 dolarjev se uvaja v množično proizvodnjo

Podjetje Baikal Electronics obljublja, da bo v začetku leta 2016 v industrijsko proizvodnjo lansiralo ruski procesor Baikal-T1, ki bo stal približno 60 dolarjev. Povpraševanje po napravah bo, če bo vlada to povpraševanje ustvarila, pravijo udeleženci na trgu.

MTS in Ericsson bosta skupaj razvijala in izvajala 5G v Rusiji

Mobile TeleSystems PJSC in Ericsson sta sklenila pogodbe o sodelovanju pri razvoju in implementaciji tehnologije 5G v Rusiji. V pilotnih projektih, tudi med svetovnim prvenstvom 2018, namerava MTS preizkusiti razvoj švedskega prodajalca. V začetku prihodnjega leta bo operater začel dialog z Ministrstvom za telekomunikacije in množične komunikacije o oblikovanju tehničnih zahtev za peto generacijo mobilnih komunikacij.

Sergey Chemezov: Rostec je že ena izmed desetih največjih inženirskih korporacij na svetu

Vodja Rosteca Sergej Čemezov je v intervjuju za RBC odgovoril na pereča vprašanja: o sistemu Platon, težavah in obetih AVTOVAZ-a, interesih državne korporacije v farmacevtskem poslu, govoril o mednarodnem sodelovanju v kontekstu sankcij. pritisk, nadomeščanje uvoza, reorganizacija, strategija razvoja in nove priložnosti v težkih časih.

Rostec se »ograjuje« in posega po lovorikah Samsunga in General Electrica

Nadzorni svet Rosteca je potrdil "Razvojno strategijo do leta 2025". Glavni cilji so povečati delež visokotehnoloških civilnih izdelkov in dohiteti General Electric in Samsung pri ključnih finančnih kazalnikih.

Intel je 18. septembra letos skupaj s kalifornijsko univerzo v Santa Barbari predstavil prvi hibridni silicijev laser z električnim črpanjem na svetu, ki združuje zmogljivosti emisije in širjenja svetlobe po silicijevem valovodu ter izkorišča nizko stroški proizvodnje silicija. Ustvarjanje hibridnega silicijevega laserja je naslednji korak k pridobivanju silicijevih čipov, ki vsebujejo na desetine in celo stotine poceni laserjev, ki bodo v prihodnosti predstavljali osnovo računalniške elektronike.

Zgodovina silicijeve fotonike

Eno od glavnih področij Intelovih raziskav in razvoja je silicijeva fotonika. Naslednji preboj podjetja na tem področju je bila izdelava prvega hibridnega silicijevega laserja z električnim črpanjem na svetu.

Zdaj je dejansko odprta pot za ustvarjanje optičnih ojačevalnikov, laserjev in pretvornikov svetlobnih valovnih dolžin z uporabo dobro uveljavljene tehnologije izdelave silicijevih čipov. Postopoma "silikonizacija" fotonike postaja resničnost in bo v prihodnosti omogočila ustvarjanje nizkocenovnih visoko zmogljivih optičnih vezij, ki bodo omogočala izmenjavo podatkov znotraj in zunaj osebnega računalnika.

Optični komunikacijski sistemi imajo določene prednosti pred tradicionalnimi kabelskimi sistemi, med katerimi je glavna njihova ogromna pasovna širina. Na primer, optična vlakna, ki se danes uporabljajo v komunikacijskih sistemih, lahko hkrati prenašajo do 128 različnih podatkovnih tokov. Teoretična meja hitrosti prenosa podatkov po optičnih vlaknih je ocenjena na 100 trilijonov bitov na sekundo. Da bi si predstavljali to ogromno številko, dajmo preprosto primerjavo: ta pasovna širina je povsem dovolj, da zagotovi prenos telefonskih pogovorov hkrati vsem prebivalcem planeta. Zato je razumljivo, da optični komunikacijski sistemi pritegnejo veliko pozornost vseh raziskovalnih laboratorijev.

Za prenos informacij s svetlobnim sevanjem je potrebnih več obveznih komponent: viri sevanja (laserji), modulatorji svetlobnih valov, preko katerih se informacija vgradi v svetlobno valovanje, detektorji in optična vlakna za prenos podatkov.

Z uporabo več laserjev, ki oddajajo različne valovne dolžine, in modulatorjev je mogoče več podatkovnih tokov prenašati hkrati po enem optičnem vlaknu. Na sprejemni strani se za obdelavo informacij uporabljata optični demultiplekser, ki loči nosilce različnih valovnih dolžin od vhodnega signala, in optični detektorji, ki omogočajo pretvorbo optičnih signalov v električne. Blokovni diagram optičnega komunikacijskega sistema je prikazan na sl. 1.

riž. 1. Blokovna shema optičnega komunikacijskega sistema

Raziskave na področju optičnih komunikacijskih sistemov in optičnih vezij so se začele že v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja - takrat so si optična vezja predstavljali kot nekakšen optični procesor ali superoptični čip, v katerem so oddajna naprava, modulator, ojačevalnik, detektor in vsa potrebna elektronika je bila integrirana Komponente. Praktično izvedbo te ideje pa je oteževalo dejstvo, da so bile komponente optičnih vezij izdelane iz različnih materialov, zato je bilo nemogoče integrirati vse potrebne komponente v eno platformo (čip) na osnovi silicija. Kljub zmagoslavju silicija na področju elektronike se je njegova uporaba v optiki zdela zelo dvomljiva.

Možnost uporabe silicija za optična vezja so proučevali že vrsto let - od druge polovice osemdesetih let prejšnjega stoletja. Vendar je bil v tem času dosežen majhen napredek. V primerjavi z drugimi materiali poskusi uporabe silicija za izdelavo optičnih vezij niso prinesli pričakovanih rezultatov.

Dejstvo je, da zaradi posebnosti strukture pasovne vrzeli kristalne rešetke silicija rekombinacija nabojev v njej vodi predvsem do sproščanja toplote in ne do emisije fotonov, kar ne omogoča uporabe za ustvariti polprevodniške laserje, ki so viri koherentnega sevanja. Hkrati se v polprevodnikih, kot sta galijev arzenid ali indijev fosfid, rekombinacijska energija sprošča predvsem v obliki infrardečih fotonov, zato lahko ti materiali služijo kot viri fotonov in se uporabljajo za ustvarjanje laserjev.

Drugi razlog, ki preprečuje uporabo silicija kot materiala za ustvarjanje optičnih vezij, je, da silicij nima linearnega elektrooptičnega Pockelsovega učinka, na podlagi katerega so zgrajeni tradicionalni hitri optični modulatorji. Pockelsov učinek vključuje spremembo lomnega količnika svetlobe v kristalu pod vplivom uporabljenega električnega polja. Zaradi tega učinka je mogoče modulirati svetlobo, saj sprememba lomnega količnika snovi ustrezno povzroči spremembo faze prepuščenega sevanja.

Pockelsov učinek se kaže le pri piezoelektrikih in zaradi nizke inertnosti teoretično omogoča modulacijo svetlobe do frekvence 10 THz. Poleg tega so zaradi linearne povezave med lomnim količnikom in električno poljsko jakostjo nelinearna popačenja med modulacijo svetlobe razmeroma majhna.

Drugi optični modulatorji temeljijo na učinkih, kot sta elektroabsorpcija ali elektrorefleksija svetlobe pod vplivom uporabljenega električnega polja, vendar so ti učinki v siliciju šibko izraženi.

Svetlobno modulacijo v siliciju je mogoče doseči na podlagi toplotnega učinka. To pomeni, da ko se temperatura silicija spremeni, se spremenita njegov lomni količnik in koeficient absorpcije svetlobe. Vendar pa so zaradi prisotnosti histereze takšni modulatorji precej inertni in ne omogočajo doseganja stopnje modulacije, višje od nekaj kilohercev.

Druga metoda modulacije sevanja, ki temelji na silicijevih modulatorjih, temelji na učinku absorpcije svetlobe na proste nosilce (luknje ali elektrone). Ta metoda modulacije tudi ne omogoča doseganja visokih hitrosti, saj je povezana s fizičnim gibanjem nabojev znotraj silicijevega modulatorja, kar je samo po sebi inerten proces. Ob tem velja poudariti, da lahko silicijevi modulatorji na podlagi opisanega učinka teoretično podpirajo modulacijske hitrosti do 1 GHz, v praksi pa so bili modulatorji doslej implementirani le s hitrostmi do 20 MHz.

Kljub vsem težavam pri uporabi silicija kot materiala za optična vezja je bil v zadnjem času v tej smeri narejen pomemben napredek. Kot se je izkazalo, dopiranje silicija z erbijem (Er) spremeni strukturo vrzeli v pasu tako, da rekombinacijo naboja spremlja emisija fotonov, kar pomeni, da je mogoče uporabiti silicij za izdelavo polprevodniških laserjev. Prvi komercialni laser na osnovi dopiranega silicija je ustvaril ST Micro-electronics. Obetavna je tudi uporaba nastavljivih polprevodniških laserjev, ki jih je Intel demonstriral že leta 2002. Takšni laserji uporabljajo Fabry-Perotov interferometer kot resonator in oddajajo na več frekvencah (večmodni način). Za izolacijo monokromatskega sevanja se uporabljajo posebni zunanji filtri na osnovi uklonskih rešetk (disperzijski filtri) - sl. 2.

riž. 2. Nastavljivi laserji s filtri
na osnovi disperzijskih rešetk

Nastali laserski sistem z zunanjim disperzijskim resonatorjem omogoča uravnavanje valovne dolžine sevanja. Tradicionalno se za pridobitev zahtevane valovne dolžine uporablja natančna nastavitev filtrov glede na resonator.

Intelu je uspelo ustvariti nastavljiv laser brez gibljivih delov. Sestavljen je iz poceni večmodnega laserja z rešetko, vdelano v valovod. S spreminjanjem temperature rešetke lahko nastavite na določeno valovno dolžino, torej preklapljate med posameznimi načini laserja.

Silikonski optični modulatorji

Februarja 2004 je Intel naredil še en preboj na področju silicijeve fotonike, ko je predstavil prvi silicijev optični fazni modulator na svetu pri 1 GHz.

Ta modulator temelji na učinku sipanja svetlobe na prostih nosilcih naboja in je po svoji zgradbi v marsičem podoben tranzistorju CMOS, ki temelji na tehnologiji SOI (silicij na izolatorju). Struktura optičnega faznega modulatorja je prikazana na sl. 3.

riž. 3. Blokovna shema optičnega silicijevega faznega modulatorja

Plast kristalnega silicija se nahaja na substratu iz kristalnega silicija z izolatorsko plastjo (silicijev dioksid) n- vrsta. Sledi plast silicijevega dioksida, v središču katere je plast polikristalnega silicija str-tip, ki opravlja funkcijo valovoda. Ta plast je ločena od kristalnega silicija n-tip z najtanjšo plastjo izolatorja (gate dielektrik), katerega debelina je le 120 angstromov. Da bi zmanjšali sipanje svetlobe zaradi kovinskega stika, so kovinski kontakti ločeni od plasti silicijevega oksida s tanko plastjo polikristalnega silicija na obeh straneh valovoda.

Ko se na krmilno elektrodo dovede pozitivna napetost, se inducira naboj na obeh straneh dielektrika vrat in na strani valovoda (polikristalni silicij str-tip) so to luknje, na strani silicija pa n-tip - prosti elektroni.

V prisotnosti prostih nabojev v siliciju se spremeni lomni količnik silicija. Sprememba lomnega količnika povzroči fazni premik prehajajočega svetlobnega vala.

Zgoraj obravnavani modulator omogoča fazno modulacijo referenčnega signala. Za pretvorbo fazne modulacije v amplitudo (fazno moduliran signal je težko zaznati brez referenčnega signala) optični modulator dodatno uporablja Mach-Zehnderjev interferometer (MZI), ki ima dva kraka, v vsakem od katerih vgrajen je fazni optični modulator (sl. 4).

riž. 4. Blokovna shema optičnega modulatorja

Uporaba faznih optičnih modulatorjev v obeh krakih interferometra omogoča enakost optičnih dolžin krakov interferometra.

Referenčni svetlobni val, ki se širi vzdolž optičnega vlakna, razdeli Y-razdelilnik na dva koherentna vala, od katerih se vsak širi vzdolž enega od krakov interferometra. Če sta na točki povezave krakov interferometra oba valovanja v fazi, potem bo zaradi seštevanja teh valov pridobljen isti val (v tem primeru zanemarimo izgube) kot pred interferometrom (konstruktivna interferenca) . Če se valovi seštevajo v protifazi (destruktivna interferenca), bo imel nastali signal ničelno amplitudo.

Ta pristop omogoča amplitudno modulacijo nosilnega signala - z dovajanjem napetosti na enega od faznih modulatorjev se faza valovanja v enem od krakov interferometra spremeni v n ali pa se sploh ne spreminjajo in s tem zagotavljajo pogoje za destruktivno ali konstruktivno poseganje. Tako se na fazni modulator dovaja napetost s frekvenco f, je možno amplitudno modulirati signal z isto frekvenco f.

Kot že omenjeno, je bil Intelov silicijev optični modulator, predstavljen februarja 2004, sposoben modulirati svetlobo pri 1 GHz. Pozneje, aprila 2005, je Intel demonstriral modulator, ki deluje na frekvenci 10 GHz.

Silicijev laser z zveznim valom, ki temelji na Ramanovem učinku

Februarja 2005 je Intel napovedal še en tehnološki preboj - ustvarjanje neprekinjenega silicijevega laserja, ki temelji na Ramanovem učinku.

Ramanov učinek se uporablja že dolgo in se pogosto uporablja za ustvarjanje ojačevalnikov svetlobe in laserjev na osnovi optičnih vlaken.

Načelo delovanja takšnih naprav je naslednje. V optično vlakno se vnese lasersko sevanje (sevanje črpalke) z valovno dolžino (slika 5). V optičnem vlaknu fotone absorbirajo atomi kristalne mreže, ki posledično začnejo »zibati« (nastanejo vibracijski fononi), poleg tega pa nastanejo fotoni z nižjo energijo. To je absorpcija vsakega fotona z valovno dolžino l=1,55 mm vodi do nastanka fonona in fotona z valovno dolžino l=1,63 mm.

riž. 5. Princip delovanja svetlobnega ojačevalnika zaradi Ramanovega efekta

Zdaj pa si predstavljajte, da obstaja tudi modulirano sevanje, ki se dovaja v isto vlakno kot sevanje črpalke in vodi do stimulirane emisije fotonov. Posledično se sevanje črpalke v takem vlaknu postopoma pretvori v signalno, modulirano, ojačano sevanje, to je učinek optičnega ojačanja (slika 6).

riž. 6. Uporaba Ramanovega učinka za ojačanje
modulirano sevanje v optičnih vlaknih

Težava pa je v tem, da takšna pretvorba žarka črpalke v signalno sevanje in s tem ojačanje signalnega sevanja zahteva, da tako sevanje signala kot sevanje črpalke potujeta več kilometrov po optičnem vlaknu. Seveda ojačevalnih vezij, ki temeljijo na več kilometrih optičnih vlaken, ne moremo imenovati preprostih in poceni, zaradi česar je njihova uporaba bistveno omejena.

Za razliko od stekla, ki je osnova optičnih vlaken, je Ramanov učinek pri siliciju 10 tisočkrat močnejši, za dosego enakega rezultata kot pri optičnih vlaknih pa je dovolj, da se sevanje črpalke in sevanje signala skupaj širita na razdalji le nekaj centimetrov. Tako uporaba Ramanovega učinka v siliciju omogoča ustvarjanje miniaturnih in poceni ojačevalnikov svetlobe ali optičnih laserjev.

Postopek ustvarjanja silicijevega optičnega ojačevalnika ali Ramanovega laserja se začne z ustvarjanjem optičnega silicijevega valovoda. Ta tehnološki postopek se ne razlikuje od procesa izdelave tradicionalnih CMOS čipov na silicijevih substratih, kar je seveda velika prednost, saj bistveno zniža stroške samega proizvodnega procesa.

V takšen silicijev valovod vneseno sevanje prepotuje le nekaj centimetrov, nato pa se (zaradi Ramanovega efekta) popolnoma pretvori v signalno sevanje z daljšo valovno dolžino.

Med poskusi se je izkazalo, da je moč sevanja črpalke priporočljivo povečati le do določene meje, saj nadaljnje povečanje moči ne vodi do povečanja sevanja signala, temveč, nasprotno, do njegove oslabitve. Razlog za ta učinek je tako imenovana dvofotonska absorpcija, katere pomen je naslednji. Silicij je optično prozorna snov za infrardeče sevanje, saj je energija infrardečih fotonov manjša od prepovedanega pasu silicija in ni dovolj za prenos atomov silicija v vzbujeno stanje s sprostitvijo elektrona. Če pa je gostota fotonov visoka, lahko pride do situacije, ko dva fotona hkrati trčita v atom silicija. V tem primeru njihova skupna energija zadostuje za prenos atoma s sprostitvijo elektrona, to pomeni, da atom preide v vzbujeno stanje z absorpcijo dveh fotonov hkrati. Ta proces se imenuje dvofotonska absorpcija.

Prosti elektroni, ki nastanejo z dvofotonsko absorpcijo, absorbirajo tako sevanje črpalke kot sevanje signala, kar ima za posledico močno zmanjšanje učinka optičnega ojačanja. Skladno s tem, večja kot je moč sevanja črpalke, močnejši je učinek dvofotonske absorpcije in absorpcije sevanja s prostimi elektroni. Negativna posledica dvofotonske absorpcije svetlobe je dolgo časa preprečevala nastanek neprekinjenega silicijevega laserja.

V silicijevem laserju, ustvarjenem v laboratoriju Intel, se je bilo prvič mogoče izogniti učinku dvofotonske absorpcije sevanja, oziroma ne samemu pojavu dvofotonske absorpcije, temveč njegovi negativni posledici - absorpciji sevanja na nastali prosti elektroni. Silicijev laser je tako imenovana struktura PIN (P-tip - Intrinsic - N-tip) (slika 7). V tej strukturi je silicijev valovod vdelan v polprevodniško strukturo s P- in N-območjem. Ta struktura je podobna ravninskemu tranzistorskemu vezju z odtokom in virom, namesto vrat pa je integriran silicijev valovod. Sam silicijev valovod je oblikovan kot pravokotno območje prečnega prereza silicija (lomni količnik 3,6), obdano z lupino silicijevega oksida (lomni količnik 1,5). Zahvaljujoč tej razliki v lomnih količnikih kristalnega silicija in silicijevega oksida je mogoče oblikovati optični valovod in se izogniti izgubam sevanja zaradi prečnega širjenja.

riž. 7. PIN struktura silicijevega laserja z zveznim valom

S takšno valovno strukturo in črpalnim laserjem z močjo delčka vata je mogoče ustvariti sevanje v valovodu z gostoto reda 25 MW/cm 2, kar je celo več od gostote sevanja, ki jo je mogoče pridobiti z visokozmogljivimi polprevodniškimi laserji. Ramansko ojačenje pri tej gostoti sevanja sicer ni zelo veliko (reda nekaj decibelov na centimeter), vendar je ta gostota povsem zadostna za izvedbo laserja.

Da bi odpravili negativni učinek absorpcije sevanja prostih elektronov, ki nastanejo v valovodu kot posledica dvofotonske absorpcije, je med dve vratci nameščen silicijev valovod. Če se med temi vrati ustvari potencialna razlika, se bodo pod vplivom električnega polja prosti elektroni in luknje "potegnili" iz silicijevega valovoda, s čimer bodo odpravljene negativne posledice dvofotonske absorpcije.

Za oblikovanje laserja, ki temelji na tej strukturi PIN, je treba na konca valovoda dodati dve zrcali, od katerih mora biti eno prosojno (slika 8).

riž. 8. Shema neprekinjenega silicijevega laserja

Hibridni silicijev laser

Silicijev laser z neprekinjenim valom, ki temelji na Ramanovem učinku, v osnovi zahteva zunanji vir sevanja, ki se uporablja kot sevanje črpalke. V tem smislu ta laser ne rešuje enega glavnih problemov silicijeve fotonike - zmožnosti integracije vseh strukturnih blokov (virov sevanja, filtrov, modulatorjev, demodulatorjev, valovodov itd.) v en sam silicijev čip.

Poleg tega uporaba zunanjih virov optičnega sevanja (ki se nahajajo zunaj čipa ali celo na njegovi površini) zahteva zelo visoko natančnost laserske poravnave glede na silicijev valovod, saj lahko neusklajenost več mikronov povzroči nedelovanje celotne naprave (sl. 9). Zahteva po natančni nastavitvi ne dovoljuje, da bi ta razred naprav prišel na množični trg in jih naredi precej drage. Zato je poravnava silicijevega laserja glede na silicijev valovod ena najpomembnejših nalog v silicijevi fotoniki.

riž. 9. Pri uporabi zunanjih laserjev je potrebna natančna laserska poravnava
in valovod

Ta problem je mogoče rešiti, če se laser in valovod ustvarita v enem kristalu v istem tehnološkem procesu. Zato lahko ustvarjanje hibridnega silicijevega laserja štejemo za dvig silicijeve fotonike na novo raven.

Princip delovanja takšnega hibridnega laserja je precej preprost in temelji na sevalnih lastnostih indijevega fosfida (InP) in sposobnosti silicija, da prevaja svetlobo.

Struktura hibridnega laserja je prikazana na sl. 10. Indijev fosfid, ki deluje kot aktivna snov polprevodniškega laserja, se nahaja neposredno nad silicijevim valovodom in je od njega ločen s tanko plastjo dielektrika (njegova debelina je le 25 atomskih plasti) - silicijev oksid, ki je " transparenten« za ustvarjeno sevanje. Ko med elektrodama pride do napetosti, pride do toka elektronov v smeri od negativnih k pozitivnim elektrodam. Kot rezultat, električni tok prehaja skozi kristalno strukturo indijevega fosfida. Ko gre električni tok skozi indijev fosfid, proces rekombinacije lukenj in elektronov povzroči fotone, to je sevanje. To sevanje neposredno zadene silicijev valovod.

riž. 10. Struktura hibridnega silicijevega laserja

Opisana struktura silicijevega laserja ne zahteva dodatne poravnave laserja glede na silicijev valovod, saj se njun relativni položaj drug glede na drugega realizira in kontrolira neposredno med tvorbo monolitne strukture hibridnega laserja.

Proizvodni proces takšnega hibridnega laserja je razdeljen na več glavnih faz. Na začetku se v »sendviču«, ki ga sestavljajo silicijeva plast, izolatorska plast (silicijev oksid) in druga silicijeva plast, z jedkanjem oblikuje valovodna struktura (slika 11) in ta tehnološka stopnja izdelave se ne razlikuje od teh procesov. ki se uporabljajo pri proizvodnji mikrovezij

riž. 11. Nastanek valovodne strukture v siliciju

Nato je treba na površini valovoda oblikovati kristalno strukturo indijevega fosfida. Namesto uporabe tehnološko zapletenega postopka gojenja kristalne strukture indijevega fosfida na že oblikovani strukturi valovoda, substrat indijevega fosfida skupaj s plastjo polprevodnika n-tipa se oblikujejo ločeno, kar je veliko preprostejše in cenejše. Izziv je povezati indijev fosfid s strukturo valovoda.

Da bi to naredili, sta struktura silicijevega valovoda in substrat indijevega fosfida izpostavljena procesu oksidacije v nizkotemperaturni kisikovi plazmi. Kot rezultat te oksidacije se na površini obeh materialov ustvari oksidni film z debelino le 25 atomskih plasti (slika 12).

riž. 12. Substrat iz indijevega fosfida
z oblikovano oksidno plastjo

Ko dva materiala segrejemo in stisnemo skupaj, plast oksida deluje kot prozorno lepilo in ju zlije v en sam kristal (slika 13).

riž. 13. “Lepljenje” strukture silicijevih valovodov
s podlago iz indijevega fosfida

Prav zato, ker je silicijev laser opisane zasnove sestavljen iz dveh zlepljenih materialov, ga imenujemo hibridni. Po postopku lepljenja se presežek indijevega fosfida odstrani z jedkanjem in nastanejo kovinski kontakti.

Tehnološki postopek izdelave hibridnih silicijevih laserjev omogoča, da se na enem čipu namesti več deset in celo sto laserjev (slika 14).

riž. 14. Shema čipa, ki vsebuje štiri
hibridni silicijev laser

Prvi čip, ki ga je predstavil Intel v sodelovanju z Univerzo v Kaliforniji, je vseboval sedem hibridnih silicijevih laserjev (slika 15).

riž. 15. Sevanje sedmih hibridnih silicijevih laserjev,
narejen na enem čipu

Ti hibridni laserji delujejo na valovni dolžini 1577 nm pri mejnem toku 65 mA z izhodno močjo do 1,8 mW.

Trenutno je hibridni silicijev laser delujoč pri temperaturah pod 40 °C, v prihodnosti pa se načrtuje dvig delovne temperature na 70 °C in znižanje mejnega toka na 20 mA.

Prihodnost silicijeve fotonike

Razvoj hibridnega silicijevega laserja bi lahko imel daljnosežne posledice za silicijevo fotoniko in bi lahko začel dobo visoko zmogljivega računalništva.

V bližnji prihodnosti bo v čip integriranih na desetine silicijevih laserjev, modulatorjev in multiplekserja, kar bo omogočilo ustvarjanje optičnih komunikacijskih kanalov s terabitno prepustnostjo (slika 16).

riž. 16. Mikrovezje optičnega komunikacijskega kanala,
ki vsebuje na desetine silicijevih laserjev,
filtri, modulatorji in multiplekserji

»S tem razvojem bomo lahko ustvarili poceni optična podatkovna vodila s terabitno pasovno širino za računalnike prihodnosti. Tako bomo lahko približali začetek nove dobe visokozmogljivega računalništva,« je dejal Mario Paniccia, direktor tehnološkega laboratorija za fotoniko pri Intel Corporation. "Čeprav je komercialna uporaba te tehnologije še daleč, smo prepričani, da bo na enem samem silicijevem čipu mogoče namestiti na desetine ali celo stotine hibridnih silicijevih laserjev, kot tudi druge komponente, ki temeljijo na silicijevi fotoniki."

Silicijeva fotonika je eno najbolj obetavnih področij v elektroniki, ki obljublja znatno zmanjšanje porabe energije in povečanje prepustnosti. Ta tehnologija omogoča, da so elektrooptični čipi izdelani na enem silicijevem čipu, kar omogoča komunikacijo posameznih čipov prek optičnih in ne električnih signalov. IBM je potreboval približno 12 let, da je ustvaril prvi delujoči hibridni čip. Povečana zmogljivost sistemov s takšnimi čipi omogoča ustvarjanje veliko zmogljivejših superračunalnikov od tistih, ki trenutno delujejo.

Tako uporaba svetlobnih impulzov namesto električnih omogoča hiter prenos zelo velikih količin informacij tako znotraj enega čipa kot med različnimi deli elektronskega računalniškega sistema. Prej je korporaciji uspelo ustvariti fotonski oddajnik-sprejemnik, ki je zagotavljal funkcijo multipleksiranja kanalov glede na valovno dolžino svetlobe. Zdaj je podjetje lahko namestilo čipe, izdelane s tehnologijo silicijeve fotonike, neposredno na procesorski modul.

Bert Offrein, vodja skupine za fotoniko pri IBM Research - Zurich, skupaj s kolegi iz Evrope, ZDA in Japonske, predlaga, da se čipi, izdelani s tehnologijo silicijeve fotonike, obravnavajo enako kot običajni silicijevi procesorji. Tehnologija izdelave tovrstnih čipov je ponujena tudi kot hibridna. Ekipa je pokazala učinkovito delovanje hibridnega čipa, kar nakazuje možen preboj v tehnologiji silicijeve fotonike. Trenutni modeli običajno vključujejo uporabo optičnega oddajnika na robu plošče. Vendar to ni rešitev, saj je oddajnik dovolj oddaljen od procesorja in zmogljivost sistema se znatno zmanjša.

Modre črte so optična vlakna, ki prenašajo informacije v obliki svetlobnih impulzov. Oranžno-rumene strukture so bakreni vodniki, skozi katere prehajajo hitri električni signali. Razvijalcem je uspelo integrirati obe vrsti vodnikov na enem čipu.

Razvoj hibridnih čipov omogoča večkratno povečanje zmogljivosti celotnega sistema, kjer se takšni čipi uporabljajo. Razvojni ekipi je uspelo razviti metodo povezovanja polimernih in silicijevih svetlobnih vodnikov, kljub temu, da so velikosti tovrstnih struktur zelo različne.

Računalniški sistemi s tovrstnimi hibridnimi čipi se bodo uporabljali za delo z ogromnimi količinami podatkov, kar bo omogočalo izvajanje analitičnih izračunov in obdelavo podatkov v nekaj sekundah. Kognitivni računalniški supersistemi lahko pomagajo dvigniti tehnologijo in znanost na novo raven. A strokovnjake čaka še veliko dela, preden bo vse to mogoče.