สถานะปัจจุบันของซิลิคอนโฟโตนิกส์และโอกาสในการพัฒนา โฟโตนิกส์ ทันสมัยและมีคุณสมบัติ การดำเนินงานและการประยุกต์ใช้ ตัวปรับแสงซิลิคอน

IBM ประกาศความก้าวหน้าในด้านซิลิคอนโฟโตนิกส์ - ชิปมัลติเพล็กซ์แบบครบวงจรตัวแรกถูกสร้างขึ้น อุปกรณ์ใหม่นี้จะช่วยให้ชิปแต่ละตัวสามารถสื่อสารระหว่างกันโดยใช้แสงแทนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะเพิ่มปริมาณงานเป็น 100 GB ต่อวินาทีและมากกว่านั้น ชิปนี้อยู่บนแม่พิมพ์ซิลิกอนตัวเดียว และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำเทคโนโลยีออพติคัลมาใช้ในระดับไมโครในระยะยาว แต่เหตุใดบริษัทที่ทรงอำนาจอย่าง IBM และ Intel จึงใช้เวลาหลายทศวรรษในการศึกษาซิลิคอนโฟโตนิกส์

ตามทฤษฎีแล้ว ซิลิคอนโฟโตนิกส์สามารถแก้ปัญหาสำคัญๆ หลายประการที่เกี่ยวข้องกับการใช้ตัวเชื่อมต่อทองแดงอย่างต่อเนื่อง ปัญหาหลักอย่างหนึ่งของลวดทองแดงคือไม่สามารถปรับขนาดได้มากเท่ากับส่วนสำคัญอื่นๆ ของโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ เมื่อเกินจุดหนึ่งไปแล้ว เป็นไปไม่ได้ทางกายภาพที่จะลดลวดทองแดงลงอีกโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพและ/หรืออายุการเก็บรักษา ตามทฤษฎีแล้ว การเชื่อมต่อแบบออปติกสามารถถ่ายโอนข้อมูลได้เร็วกว่ามากในขณะที่ใช้พลังงานน้อยกว่า นอกจากนี้ หลายบริษัทเชื่อว่าซิลิคอน โฟโตนิกส์มีความจำเป็นในการสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีพลังการประมวลผลเทียบเท่ากับการประมวลผลระดับเอ็กซาสเกลประมาณหนึ่งเครื่อง

น่าเสียดายที่ซิลิคอนเป็นสภาพแวดล้อมที่ไม่ดีสำหรับอุปกรณ์ออพติคัลเนื่องจากมาตราส่วนการผลิตแตกต่างกันมาก (ท่อนำคลื่นแสงและส่วนประกอบอื่นๆ มีขนาดใหญ่กว่าซิลิคอน CMOS มาก) จนไม่มีโซลูชันทางวิศวกรรมที่สามารถรวมองค์ประกอบออปติคอลเข้ากับ CMOS ที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพและราคาไม่แพงโดยใช้ซิลิคอนแทน วัสดุทดแทนราคาแพงเช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์ ขณะนี้บริษัทสามารถวางชิปที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์ลงบนโมดูลโปรเซสเซอร์ได้โดยตรง

กราฟจากการนำเสนอของ Intel เกี่ยวกับซิลิคอนโฟโตนิกส์ยังแสดงให้เห็นการใช้พลังงานที่ผู้ผลิตพยายามทำให้สำเร็จอีกด้วย แผนระยะยาวสำหรับซิลิคอนโฟโตนิกส์เสนอแบนด์วิธและพลังงานต่อบิตของข้อมูลที่การเชื่อมต่อด้วยทองแดงไม่สามารถทำได้
หลังจากทำงานมาหลายทศวรรษ ซิลิคอนโฟโตนิกส์อาจดูเหมือนเป็นแนวคิดบ้าๆ บอๆ ที่ดูดีบนกระดาษแต่ไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงโดยสิ้นเชิง แต่ความก้าวหน้าไม่ได้หยุดนิ่ง และแม้ว่าบริษัทล้ำหน้าอย่าง IBM, Intel หรือ HP อาจไม่เปิดตัว เทคโนโลยีสู่เชิงพาณิชย์ในอนาคตอันใกล้นี้ ย่อมพบการใช้งานในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ และศูนย์ข้อมูลอย่างแน่นอน

ฤดูใบไม้ผลิมาถึงแล้ว... และเมื่อถึงเวลาสำหรับ Intel Developer Forum (IDF) ครั้งต่อไปซึ่งจัดขึ้นปีละสองครั้งในแคลิฟอร์เนียที่มีแสงแดดสดใส และไปเยือนเมืองอื่นๆ ทั่วโลกเป็นประจำ (ล่าสุดคือในรัสเซีย) ยิ่งไปกว่านั้น ฤดูใบไม้ผลิในกรณีนี้ไม่ได้มาเพียงเพื่อคำพูดเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในซานฟรานซิสโก ซึ่ง IDF จะจัดขึ้นอีกครั้งตั้งแต่วันที่ 1 ถึง 3 มีนาคมที่ศูนย์การประชุม Moscone West ขนาดใหญ่

ตอนนี้อากาศอบอุ่นมาก ต้นไม้และพุ่มไม้กำลังเบ่งบานส่งกลิ่นหอมของฤดูใบไม้ผลิ และคนในพื้นที่ก็สวมเสื้อเชิ้ตหรือเสื้อแจ็คเก็ตบางๆ เดินไปตามถนนถ้าฝนไม่ตก เมื่อเทียบกับฉากหลังที่ร่าเริงนี้ โดยบินจากมอสโกที่เต็มไปด้วยหิมะ คงไม่ง่ายนักที่จะนั่งทั้งวันในห้องประชุมและห้องแถลงข่าว โดยเบียดเสียดท่ามกลางผู้เยี่ยมชมหลายพันคนและผู้จัดงาน IDF ในงานแสดงสินค้าและข้างสนาม หากไม่ใช่เพราะบางครั้งข้อมูลที่มีเอกลักษณ์และน่าตื่นเต้นที่ตกอยู่กับคุณเป็นส่วนใหญ่ ก็ไม่เหลือช่วงเวลาแห่งความสงบสุข แม้แต่ฉันซึ่งเป็นผู้เยี่ยมชมฟอรัมกลางของ Intel เป็นประจำ (รวมถึงนิทรรศการและการประชุมอื่น ๆ อีกมากมายในหัวข้อที่คล้ายกัน) ซึ่งดูเหมือนจะเบื่อหน่ายกับเหตุการณ์ดังกล่าวและมองว่าพวกเขาเกือบจะเป็นหนังฮอลลีวูดเรื่องอื่นที่ได้รับการหล่อหลอมอย่างดีตามที่รู้จักกันดีมายาวนาน ความคิดโบราณมักจะต้องประหลาดใจกับผลิตภัณฑ์ใหม่ที่ผู้จัดงานได้เตรียมไว้สำหรับผู้เข้าร่วม IDF ให้ประหลาดใจและชื่นชมในสถานที่ต่างๆ...

อาจไม่จำเป็นต้องอธิบายให้ผู้อ่านทั่วไปของเราทราบว่า Intel Developer Forum คืออะไร และ “พวกเขากินอะไรด้วย” งานนี้จัดขึ้นเป็นประจำเป็นเวลาหลายปีโดย Intel Corporation และเพื่อนสนิทในเวิร์กช็อปไอที โดยมีลักษณะเฉพาะของตัวเองที่แตกต่างจากนิทรรศการคอมพิวเตอร์ต่างๆ (เช่น CeBIT, Computex, Comdex หรือ CES ซึ่งมีผู้ผลิตผลิตภัณฑ์ไอทีนับแสนราย โม้เกี่ยวกับความสำเร็จของพวกเขาเพื่อที่จะขายให้ได้ผลกำไรมากขึ้น) และจากการประชุมทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่สำคัญของโลก (เช่นการประชุมสมาคมวิจัยวัสดุ, IEEE และอื่น ๆ ที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งสถาบันและห้องปฏิบัติการวิจัยชั้นนำของโลกหลายร้อยแห่งรายงานเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ล่าสุด การค้นพบ สิ่งประดิษฐ์และเทคโนโลยี การนำไปปฏิบัติซึ่งยังคงต้องศึกษาต่อไปอีกหลายปี) ในความคิดของฉัน IDF ยังคงใกล้ชิดกับสิ่งหลังมากกว่าครั้งก่อน เนื่องจาก Intel ซึ่งใช้จ่ายมากกว่า 4 พันล้านดอลลาร์ต่อปีในการวิจัยและพัฒนา ที่ IDF พยายามสาธิตผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นปัจจุบันและพร้อมออกสู่ตลาดมากนัก (ไมโครโปรเซสเซอร์ แพลตฟอร์ม ฯลฯ)

จะบอกอุตสาหกรรมได้มากเพียงใดถึงเวกเตอร์ที่จะพัฒนาในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เพื่อเปิดเผยเทคโนโลยีในปัจจุบันและอนาคตที่บริษัทดำเนินการร่วมกับพันธมิตรและนักพัฒนาไอทีรายอื่นต่อสาธารณะ เพื่อดึงดูดนักวิจัยและวิศวกรหน้าใหม่ (นั่นคือ "นักพัฒนา" ตามชื่อของฟอรัม) และอาจหารือเกี่ยวกับความเป็นไปได้ ของขั้นตอนบางอย่างภายในชุมชนไอทีทั้งหมด และถึงแม้ว่าแน่นอนว่าโครงร่าง "นิทรรศการและการขาย" ที่ IDF ก็มีการนำเสนออยู่บ้าง แต่สิ่งที่มีคุณค่าและน่าสนใจที่สุดในความคิดของฉันคือส่วนหนึ่งของการวิจัยและเทคโนโลยี

ดังนั้นวันที่ "ศูนย์" ของ IDF ปัจจุบันซึ่งเกิดขึ้นในวันที่ 28 กุมภาพันธ์สำหรับสื่อมวลชนและนักวิเคราะห์ชั้นนำจากทั่วโลก ทำให้เกิดเรื่องน่าประหลาดใจหลายประการ ซึ่งฉันจะพยายามพูดถึงในรายงานนี้ ซึ่งอยู่ข้างหน้าเรื่องราวเกี่ยวกับฟอรัม ตัวมันเอง

นาโนเทคโนโลยีซิลิคอน: มองไปข้างหน้า 20 ปี

รายงาน Zero-day ฉบับแรกกล่าวถึงวิธีการที่เทคโนโลยีซิลิคอนสำหรับการผลิตอุปกรณ์คอมพิวเตอร์สามารถและจะพัฒนาในทศวรรษต่อๆ ไป โดยสังเขปและในเบื้องต้นสิ่งนี้อาจเรียกได้ว่าเป็น "ข้ออ้างสำหรับกฎของมัวร์ในอีก 20 ปีข้างหน้า" หากหลักฐานที่ซ้ำซากจำเจไม่ได้รับการสนับสนุนจากรายละเอียดที่น่าทึ่งของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในสาขานาโนเทคโนโลยีและการนำไปปฏิบัติในทางปฏิบัติ ในเทคโนโลยีระดับอุตสาหกรรม รายงานนี้นำเสนอโดยเปาโล การ์จินี (ในภาพ) ผู้อำนวยการฝ่ายกลยุทธ์เทคโนโลยีของ Intel และการวิจัยนาโนเทคโนโลยีของ Intel

การนำเสนอที่ใช้เวลานานกว่าชั่วโมงดำเนินไปอย่างรวดเร็ว โดยไม่ยอมให้ใครมาสัมผัสได้แม้แต่วินาทีเดียวและไตร่ตรองอย่างใจเย็นเกี่ยวกับสไลด์นี้หรือสไลด์นั้น การเล่าอย่างละเอียดจะเป็นประโยชน์กับผู้อ่านที่มีความคิดของเราบางคน แต่จะใช้พื้นที่มากเกินไป (ซึ่งเป็นสไลด์ที่ "จริงจัง" ประมาณร้อยสไลด์ ซึ่งแต่ละสไลด์ยังต้องใส่ความคิดเห็นจำนวนมาก) ดังนั้นฉันจะสังเกตเฉพาะประเด็นที่น่าสนใจที่สุดบางส่วนในความคิดของฉัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากรายละเอียดบางส่วนที่มีอยู่ในนั้นได้ถูกอธิบายโดยฉันและเพื่อนร่วมงานของฉันแล้วในบทความของเราโดยอิงตามผลลัพธ์ของ IDF ก่อนหน้าและ "ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีล่าสุด ” ของอินเทล ฉันจะนำเสนอเนื้อหานี้โดยละเอียดมากขึ้น อาจจะเป็นอีกครั้งหนึ่ง

ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา จำนวนองค์ประกอบบนชิปซิลิคอนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเป็นสองเท่าทุกๆ สองปี และราคาของทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวบนชิปก็ลดลงในอัตราเดียวกัน

ประมาณ 10 ปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ทำนายปัญหาใหญ่ในการเปลี่ยนไปใช้อุปกรณ์ 100 นาโนเมตร แต่โชคดีที่สิ่งนี้ไม่เกิดขึ้น และตอนนี้ผู้นำในอุตสาหกรรมได้ศึกษาโอกาสอย่างดีสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีซิลิคอนแบบดั้งเดิมด้วยทรานซิสเตอร์ planar CMOS อีก 10 ตัว ปี (ดูสไลด์)

ความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่โดยพื้นฐานจะเกิดขึ้นภายในปี 2556 เท่านั้น เมื่อความเป็นไปได้ในการย่อขนาดอุปกรณ์ปัจจุบันจะหมดลงจริง ๆ

ในบรรดาอุปกรณ์ซิลิกอนใหม่ที่ได้รับการพิจารณา ได้แก่ นาโนทรานซิสเตอร์แบบหลายเกต (เช่น ไตรเกต) อุปกรณ์ที่ใช้ท่อนาโนซิลิกอนที่ล้อมรอบด้วยเกตตลอดจนอุปกรณ์ที่มีการขนส่งแบบกึ่งขีปนาวุธ

ในระยะยาว ยังมีการพิจารณาท่อนาโนคาร์บอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายนาโนเมตร ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของท่อเหล่านั้น อุปกรณ์ที่ใช้โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง InSb (มีความคล่องตัวสูงเป็นพิเศษ) น่าสนใจสำหรับนาโนอิเล็กทรอนิกส์ ดูสไลด์

แต่จะเกิดอะไรขึ้นหลังจากปี 2020 เมื่อเทคโนโลยี CMOS หมดความสามารถในการย่อขนาดจนเหลือเพียงขีดจำกัดอะตอมมิก

จากนั้นบางที Spintronics อาจเข้ามามีบทบาทโดยทำงานกับโมเมนต์แม่เหล็กของอนุภาคมูลฐาน:

บางคนก็พูดถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมเช่นกัน ในปัจจุบัน เทคโนโลยี CMOS ยังมีชีวิตอยู่ และกฎของมัวร์จะยังคงมีผลใช้ต่อไปอีกอย่างน้อย 15-20 ปี

ซิลิคอนโฟโตนิกส์: ความก้าวหน้าครั้งใหม่

อีกเหตุการณ์ที่น่าสนใจตั้งแต่วันที่ 0 ของ IDF นี้คือรายงานเกี่ยวกับ ที่สร้างขึ้นบนชิปซิลิคอนที่ Intel พูดอย่างเคร่งครัดข่าวเกี่ยวกับเรื่องนี้แพร่กระจายไปทั่วโลกไม่กี่วันก่อน IDF (เมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์บทความที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ใน Nature และข่าวประชาสัมพันธ์จาก บริษัท ) แต่ที่นี่ผู้พัฒนาหลักของอุปกรณ์ใหม่ได้แบ่งปันต่อสาธารณะมากมายมาจนบัดนี้ รายละเอียดที่ไม่รู้จักและแสดงให้ผู้ชมเห็นคริสตัลจำนวนมากด้วยเลเซอร์ดังกล่าว ตัวอย่างเช่น ในภาพนี้ (ภาพถ่ายโดยผู้เขียน) คริสตัลประกอบด้วยเลเซอร์ดังกล่าว 8 อันในคราวเดียว

โดยไม่ต้องลงรายละเอียด เราทราบว่าในการสร้างเลเซอร์บนซิลิคอน นักวิทยาศาสตร์ของ Intel ต้องแก้ไขปัญหาสำคัญที่เรียกว่า "การดูดกลืนโฟตอนสองโฟตอน" ซึ่งก่อนหน้านี้ป้องกันการสร้างเลเซอร์ต่อเนื่องบนซิลิคอน

การใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุในการสร้างเลเซอร์และสำหรับการขยายรังสีอินฟราเรดหลายครั้ง (ต้องขอบคุณขนาดมหึมาประมาณ 20,000 เท่าของเอฟเฟกต์รามาน)

ก่อนหน้านี้ นี่เป็นปัญหา เนื่องจากรามานได้รับความอิ่มตัวภายใต้การปั๊มอันทรงพลัง และพลังงานที่ได้รับระหว่างการอิ่มตัวนั้นไม่เพียงพอที่จะสร้างเลเซอร์ต่อเนื่อง

ความจริงก็คือพลังงานของโฟตอนอินฟราเรดหนึ่งตัว (ควอนตัมแสง) ไม่เพียงพอที่จะเคาะ (ปล่อย) อิเล็กตรอนออกมาเมื่อชนกับอะตอมของโครงผลึกซิลิคอน อย่างไรก็ตาม หากโฟตอนสองตัวชนกับอะตอมในคราวเดียว (ซึ่งมักเกิดขึ้นเมื่อเลเซอร์ถูกรังสีภายนอกอัดฉีดอย่างเข้มข้น) จากนั้นอะตอมก็จะเกิดการแตกตัวเป็นไอออนได้ และอิเล็กตรอนอิสระในซิลิคอนก็เริ่มดูดซับโฟตอนด้วยตัวมันเอง ดังนั้น จึงป้องกันการขยายสัญญาณแบบรามันต่อไป . ปัญหาได้รับการแก้ไขโดยการสร้างโครงสร้างที่เรียกว่า p-i-n ตามแนวช่องสัญญาณแสง (บริเวณของซิลิคอนที่มีรูและการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอน ตามลำดับ ที่ด้านข้างของช่องสัญญาณแสงที่ยังไม่ได้เจือในซิลิคอน ดูรูป)

ด้วยการใช้อคติทางไฟฟ้าระหว่างบริเวณ p และ n ของซิลิคอน อิเล็กตรอนอิสระ "สองโฟตอน" จึงสามารถกำจัดออกจากบริเวณช่องสัญญาณออปติคอลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มการเพิ่มขึ้นของ Raman ในซิลิคอนอย่างมีนัยสำคัญ และสร้างเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง

จากโซลูชันนี้ คุณสามารถสร้างอุปกรณ์ออพติคัลที่สำคัญสองชิ้นได้โดยตรงบนคริสตัลซิลิคอนตัวเดียว ได้แก่ แอมพลิฟายเออร์และโมดูเลเตอร์สัญญาณ

นอกจากนี้ การใช้กระจกเรียงซ้อน (วางอยู่บนซิลิคอนโดยตรง) เพื่อสร้างช่องทางการสื่อสารด้วยแสงแบบหลายความยาวคลื่นและเลเซอร์ขนาดกะทัดรัดสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย

ในมือของ Mario Paniccia ผู้อำนวยการ Intel Photonic Technology Lab คือคริสตัลของเลเซอร์ซิลิคอนคลื่นต่อเนื่องแบบใหม่ (ขวา) และแอมพลิฟายเออร์ออปติคัล Raman ราคาแพงแบบดั้งเดิม (ซ้าย):

ความสำเร็จของพนักงาน Intel นี้เปิดโลกทัศน์ใหม่สำหรับการพัฒนาซิลิคอนโฟโตนิกส์และการนำไปใช้เพิ่มเติมในไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม

65 นาโนเมตรเป็นเป้าหมายต่อไปของโรงงาน Zelenograd Angstrem-T ซึ่งจะมีราคา 300-350 ล้านยูโร บริษัทได้ยื่นคำขอสินเชื่อพิเศษเพื่อปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิตให้ทันสมัยไปยัง Vnesheconombank (VEB) แล้ว Vedomosti รายงานในสัปดาห์นี้โดยอ้างอิงถึงประธานคณะกรรมการบริหารของโรงงาน Leonid Reiman ตอนนี้ Angstrem-T กำลังเตรียมที่จะเปิดตัวสายการผลิตสำหรับวงจรขนาดเล็กที่มีโทโพโลยี 90 นาโนเมตร การชำระเงินสำหรับเงินกู้ VEB ก่อนหน้านี้ซึ่งได้ซื้อไว้จะเริ่มในกลางปี ​​​​2560

ปักกิ่งถล่มวอลล์สตรีท

ดัชนีสำคัญๆ ของอเมริกาถือเป็นวันแรกของปีใหม่ด้วยการร่วงลงเป็นประวัติการณ์ มหาเศรษฐีจอร์จ โซรอส เตือนแล้วว่าโลกกำลังเผชิญกับวิกฤติปี 2551 ซ้ำแล้วซ้ำอีก

โปรเซสเซอร์ผู้บริโภคชาวรัสเซียเครื่องแรก Baikal-T1 ซึ่งมีราคาอยู่ที่ 60 ดอลลาร์ กำลังถูกเปิดตัวสู่การผลิตจำนวนมาก

บริษัท Baikal Electronics สัญญาว่าจะเปิดตัวโปรเซสเซอร์ Baikal-T1 ของรัสเซียเข้าสู่การผลิตเชิงอุตสาหกรรมซึ่งมีราคาประมาณ 60 ดอลลาร์ในต้นปี 2559 อุปกรณ์ดังกล่าวจะเป็นที่ต้องการหากรัฐบาลสร้างความต้องการนี้ ผู้เข้าร่วมตลาดกล่าว

MTS และ Ericsson จะร่วมกันพัฒนาและใช้งาน 5G ในรัสเซีย

Mobile TeleSystems PJSC และ Ericsson ได้ทำข้อตกลงความร่วมมือในการพัฒนาและการนำเทคโนโลยี 5G ไปใช้งานในรัสเซีย ในโครงการนำร่อง รวมถึงในระหว่างการแข่งขันฟุตบอลโลกปี 2018 MTS ตั้งใจที่จะทดสอบการพัฒนาของผู้จำหน่ายในสวีเดน ในต้นปีหน้า ผู้ดำเนินการจะเริ่มการเจรจากับกระทรวงโทรคมนาคมและสื่อสารมวลชนเกี่ยวกับการกำหนดข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับการสื่อสารเคลื่อนที่รุ่นที่ห้า

Sergey Chemezov: Rostec เป็นหนึ่งในสิบบริษัทวิศวกรรมที่ใหญ่ที่สุดในโลกอยู่แล้ว

Sergei Chemezov หัวหน้า Rostec ในการให้สัมภาษณ์กับ RBC ตอบคำถามเร่งด่วน: เกี่ยวกับระบบ Platon ปัญหาและโอกาสของ AVTOVAZ ผลประโยชน์ของ State Corporation ในธุรกิจเภสัชกรรมพูดถึงความร่วมมือระหว่างประเทศในบริบทของการคว่ำบาตร แรงกดดัน การทดแทนการนำเข้า การปรับโครงสร้างองค์กร กลยุทธ์การพัฒนา และโอกาสใหม่ๆ ในช่วงเวลาที่ยากลำบาก

Rostec กำลัง "ฟันดาบตัวเอง" และกำลังรุกล้ำเกียรติยศของ Samsung และ General Electric

คณะกรรมการกำกับดูแลของ Rostec อนุมัติ "กลยุทธ์การพัฒนาจนถึงปี 2025" วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อเพิ่มส่วนแบ่งของผลิตภัณฑ์พลเรือนที่มีเทคโนโลยีสูงและตามทัน General Electric และ Samsung ในตัวชี้วัดทางการเงินที่สำคัญ

เมื่อวันที่ 18 กันยายนของปีนี้ Intel ร่วมกับมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บาร่า สาธิตเลเซอร์ซิลิกอนปั๊มด้วยไฟฟ้าแบบไฮบริดเครื่องแรกของโลก ซึ่งรวมความสามารถในการปล่อยและการแพร่กระจายแสงไปตามท่อนำคลื่นซิลิคอน และยังใช้ประโยชน์จากความถี่ต่ำ ต้นทุนการผลิตซิลิกอน การสร้างเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดเป็นขั้นตอนต่อไปในการได้รับชิปซิลิคอนที่มีเลเซอร์ราคาถูกหลายสิบหรือหลายร้อยตัว ซึ่งในอนาคตจะเป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของคอมพิวเตอร์

ประวัติความเป็นมาของซิลิคอนโฟโตนิกส์

หนึ่งในพื้นที่หลักของความพยายามในการวิจัยและพัฒนาของ Intel คือซิลิคอนโฟโตนิกส์ ความก้าวหน้าครั้งต่อไปของบริษัทในด้านนี้คือการสร้างเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดปั๊มด้วยไฟฟ้าเครื่องแรกของโลก

ขณะนี้แนวทางนี้เปิดกว้างอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อสร้างเครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคัล เลเซอร์ และตัวแปลงความยาวคลื่นแสงโดยใช้เทคโนโลยีการผลิตชิปซิลิคอนที่ได้รับการยอมรับอย่างดี "ซิลิคอนไนเซชัน" ของโฟโตนิกส์กำลังค่อยๆ กลายเป็นความจริง และในอนาคตจะทำให้สามารถสร้างวงจรออปติคัลประสิทธิภาพสูงที่มีต้นทุนต่ำ ซึ่งช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลทั้งภายในและภายนอกพีซีได้

ระบบสื่อสารด้วยแสงมีข้อได้เปรียบเหนือระบบเคเบิลแบบเดิมบางประการ โดยข้อดีหลักคือแบนด์วิดท์มหาศาล ตัวอย่างเช่น ใยแก้วนำแสงที่ใช้ในระบบการสื่อสารในปัจจุบันสามารถส่งสตรีมข้อมูลที่แตกต่างกันได้ถึง 128 รายการพร้อมกัน ขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับความเร็วในการส่งข้อมูลผ่านใยแก้วนำแสงอยู่ที่ประมาณ 100 ล้านล้านบิตต่อวินาที เพื่อจินตนาการถึงตัวเลขขนาดใหญ่นี้ เรามาเปรียบเทียบกันง่ายๆ กัน: แบนด์วิดท์นี้เพียงพอที่จะรับประกันการส่งการสนทนาทางโทรศัพท์ไปยังประชากรทุกคนในโลกไปพร้อมๆ กัน ดังนั้นจึงเป็นที่เข้าใจได้ว่าระบบการสื่อสารด้วยแสงกำลังดึงดูดความสนใจอย่างใกล้ชิดจากห้องปฏิบัติการวิจัยทุกแห่ง

ในการส่งข้อมูลโดยใช้การแผ่รังสีแสง จำเป็นต้องมีส่วนประกอบบังคับหลายประการ: แหล่งกำเนิดรังสี (เลเซอร์) โมดูเลเตอร์คลื่นแสงซึ่งข้อมูลฝังอยู่ในคลื่นแสง เครื่องตรวจจับ และใยแก้วนำแสงสำหรับการส่งข้อมูล

การใช้เลเซอร์หลายตัวที่ปล่อยความยาวคลื่นและโมดูเลเตอร์ที่แตกต่างกัน ทำให้สตรีมข้อมูลหลายรายการสามารถส่งพร้อมกันผ่านใยแก้วนำแสงเส้นเดียว ในด้านรับ ในการประมวลผลข้อมูล มีการใช้ออปติคอลดีมัลติเพล็กซ์เซอร์ ซึ่งจะแยกพาหะที่มีความยาวคลื่นแตกต่างจากสัญญาณขาเข้า และเครื่องตรวจจับด้วยแสงซึ่งทำให้สามารถแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้ แผนภาพบล็อกของระบบสื่อสารด้วยแสงแสดงไว้ในรูปที่ 1 1.

ข้าว. 1. บล็อกไดอะแกรมของระบบสื่อสารด้วยแสง

การวิจัยในด้านระบบการสื่อสารด้วยแสงและวงจรแสงเริ่มต้นขึ้นในทศวรรษ 1970 จากนั้นจึงจินตนาการว่าวงจรแสงเป็นเหมือนตัวประมวลผลแสงหรือชิปซุปเปอร์ออปติคัลชนิดหนึ่ง ซึ่งมีอุปกรณ์ส่งสัญญาณ โมดูเลเตอร์ แอมพลิฟายเออร์ ตัวตรวจจับ และ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นทั้งหมดถูกรวมเข้าด้วยกัน ส่วนประกอบ อย่างไรก็ตาม การนำแนวคิดนี้ไปใช้ในทางปฏิบัติถูกขัดขวางเนื่องจากส่วนประกอบของวงจรออปติคอลทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะรวมส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดไว้ในแพลตฟอร์มเดียว (ชิป) ที่ใช้ซิลิคอน แม้จะมีชัยชนะของซิลิคอนในด้านอิเล็กทรอนิกส์ แต่การใช้ในด้านทัศนศาสตร์ก็ดูน่าสงสัยมาก

มีการศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้ซิลิคอนสำหรับวงจรออปติคอลมาหลายปีแล้วตั้งแต่ช่วงครึ่งหลังของทศวรรษ 1980 อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลานี้ก็มีความก้าวหน้าเพียงเล็กน้อย เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอื่นๆ ความพยายามในการใช้ซิลิคอนเพื่อสร้างวงจรออปติกไม่ได้ให้ผลลัพธ์ตามที่คาดหวัง

ความจริงก็คือเนื่องจากลักษณะเฉพาะของโครงสร้างของช่องว่างแถบของโครงตาข่ายคริสตัลซิลิคอนการรวมตัวกันของประจุในนั้นส่วนใหญ่จะนำไปสู่การปล่อยความร้อนเป็นหลักและไม่ปล่อยโฟตอนซึ่งไม่อนุญาตให้นำไปใช้ สร้างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นแหล่งกำเนิดรังสีที่สอดคล้องกัน ในเวลาเดียวกัน ในเซมิคอนดักเตอร์ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์หรืออินเดียมฟอสไฟด์ พลังงานจากการรวมตัวกันใหม่ส่วนใหญ่จะถูกปล่อยออกมาในรูปของโฟตอนอินฟราเรด ดังนั้นวัสดุเหล่านี้จึงสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดโฟตอนและใช้ในการสร้างเลเซอร์ได้

อีกเหตุผลหนึ่งที่ป้องกันการใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุในการสร้างวงจรออปติคอลก็คือ ซิลิคอนไม่มีเอฟเฟกต์ Pockels แบบอิเล็กโทรออปติคอลเชิงเส้น บนพื้นฐานของการสร้างโมดูเลเตอร์ออปติคอลแบบเร็วแบบดั้งเดิม เอฟเฟกต์ Pockels เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงในคริสตัลภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่ใช้ เนื่องจากผลกระทบนี้ทำให้สามารถปรับแสงได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของสารจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงเฟสของรังสีที่ส่งผ่านตามลำดับ

เอฟเฟกต์ Pockels ปรากฏเฉพาะในเพียโซอิเล็กทริกเท่านั้น และเนื่องจากความเฉื่อยต่ำ ในทางทฤษฎีจึงอนุญาตให้ปรับแสงได้สูงถึงความถี่ 10 THz นอกจากนี้ เนื่องจากความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างดัชนีการหักเหของแสงและความแรงของสนามไฟฟ้า การบิดเบือนแบบไม่เชิงเส้นระหว่างการปรับแสงจึงค่อนข้างน้อย

ตัวปรับแสงอื่นๆ ขึ้นอยู่กับผลกระทบต่างๆ เช่น การดูดซับด้วยไฟฟ้า หรือการสะท้อนด้วยไฟฟ้าของแสงภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่ใช้ แต่ผลกระทบเหล่านี้แสดงออกมาอย่างอ่อนในซิลิคอน

การปรับแสงในซิลิคอนสามารถทำได้โดยอาศัยผลกระทบจากความร้อน นั่นคือเมื่ออุณหภูมิของซิลิคอนเปลี่ยนแปลง ดัชนีการหักเหของแสงและค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงจะเปลี่ยนไป อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการมีอยู่ของฮิสเทรีซีส โมดูเลเตอร์ดังกล่าวค่อนข้างเฉื่อยและไม่อนุญาตให้มีอัตราการมอดูเลชั่นที่สูงกว่าสองสามกิโลเฮิรตซ์

อีกวิธีหนึ่งของการปรับรังสีที่ใช้ซิลิกอนโมดูเลเตอร์นั้นขึ้นอยู่กับผลของการดูดกลืนแสงบนพาหะอิสระ (รูหรืออิเล็กตรอน) วิธีการมอดูเลตนี้ยังไม่อนุญาตให้ได้รับความเร็วสูง เนื่องจากมีความเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวทางกายภาพของประจุภายในโมดูเลเตอร์ซิลิคอน ซึ่งในตัวมันเองเป็นกระบวนการเฉื่อย ในเวลาเดียวกันเป็นที่น่าสังเกตว่าโมดูเลเตอร์ซิลิคอนตามเอฟเฟกต์ที่อธิบายไว้สามารถรองรับความเร็วการมอดูเลตทางทฤษฎีสูงถึง 1 GHz ในทางทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติโมดูเลเตอร์ได้ถูกนำมาใช้ด้วยความเร็วสูงสุด 20 MHz เท่านั้น

แม้จะมีความยากลำบากในการใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุสำหรับวงจรออปติคอล แต่ความก้าวหน้าที่สำคัญก็เกิดขึ้นในทิศทางนี้ เมื่อปรากฎว่าการเติมซิลิคอนด้วยเออร์เบียม (Er) จะเปลี่ยนโครงสร้างของช่องว่างของแถบในลักษณะที่การรวมตัวกันใหม่ของประจุจะมาพร้อมกับการปล่อยโฟตอนนั่นคือมันเป็นไปได้ที่จะใช้ซิลิคอนเพื่อผลิตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์เชิงพาณิชย์ตัวแรกที่ใช้ซิลิกอนเจือถูกสร้างขึ้นโดย ST Micro-electronics การใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบปรับได้ซึ่งสาธิตโดย Intel เมื่อปี 2545 ก็มีแนวโน้มที่ดีเช่นกัน เลเซอร์ดังกล่าวใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Fabry-Perot เป็นตัวสะท้อนและปล่อยคลื่นความถี่หลายความถี่ (โหมดหลายโหมด) ในการแยกรังสีเอกรงค์จะใช้ตัวกรองภายนอกพิเศษที่ยึดตามตะแกรงการเลี้ยวเบน (ตัวกรองการกระจาย) - รูปที่ 1 2.

ข้าว. 2. เลเซอร์ที่ปรับได้พร้อมฟิลเตอร์
ขึ้นอยู่กับตะแกรงกระจาย

ระบบเลเซอร์ที่ได้ซึ่งมีตัวสะท้อนกระจายภายนอกทำให้สามารถปรับความยาวคลื่นการแผ่รังสีได้ โดยทั่วไปแล้ว การปรับแต่งตัวกรองอย่างแม่นยำโดยสัมพันธ์กับตัวสะท้อนเสียงจะใช้เพื่อให้ได้ความยาวคลื่นที่ต้องการ

Intel สามารถสร้างเลเซอร์แบบปรับได้โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเลย ประกอบด้วยเลเซอร์มัลติโหมดราคาประหยัดที่มีตะแกรงฝังอยู่ภายในท่อนำคลื่น ด้วยการเปลี่ยนอุณหภูมิตะแกรง คุณสามารถปรับความยาวคลื่นเฉพาะได้ กล่าวคือ สลับระหว่างโหมดเลเซอร์แต่ละโหมด

ตัวปรับแสงซิลิคอน

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2547 Intel ได้สร้างความก้าวหน้าอีกครั้งในด้านซิลิคอนโฟโตนิกส์ โดยสาธิตตัวมอดูเลเตอร์เฟสแสงซิลิคอนตัวแรกของโลกที่ 1 GHz

โมดูเลเตอร์นี้ขึ้นอยู่กับผลกระทบของการกระเจิงของแสงบนตัวพาประจุฟรี และในโครงสร้างของมันก็คล้ายกับทรานซิสเตอร์ CMOS ที่ใช้เทคโนโลยี SOI (ซิลิคอนบนฉนวน) หลายประการ โครงสร้างของโมดูเลเตอร์เฟสแสงแสดงไว้ในรูปที่ 1 3.

ข้าว. 3. บล็อกไดอะแกรมของโมดูเลเตอร์เฟสออปติคอลซิลิคอน

ชั้นของผลึกซิลิกอนตั้งอยู่บนซับสเตรตของซิลิกอนที่เป็นผลึกและมีชั้นฉนวน (ซิลิคอนไดออกไซด์) n-พิมพ์. ถัดมาเป็นชั้นของซิลิคอนไดออกไซด์ ซึ่งตรงกลางเป็นชั้นของซิลิกอนคริสตัลไลน์ พี-ประเภทที่ทำหน้าที่ของท่อนำคลื่น ชั้นนี้ถูกแยกออกจากผลึกซิลิกอน n- ประเภทที่มีชั้นฉนวนที่บางที่สุด (ไดอิเล็กทริกเกต) ซึ่งมีความหนาเพียง 120 อังสตรอม เพื่อลดการกระเจิงของแสงเนื่องจากการสัมผัสกับโลหะ หน้าสัมผัสโลหะจะถูกแยกออกจากชั้นซิลิคอนออกไซด์ด้วยชั้นบางๆ ของซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ที่ด้านใดด้านหนึ่งของท่อนำคลื่น

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าบวกกับอิเล็กโทรดควบคุม ประจุจะเกิดขึ้นที่ทั้งสองด้านของไดอิเล็กทริกของเกต และที่ด้านท่อนำคลื่น (ซิลิกอนโพลีคริสตัลไลน์ พี-type) เหล่านี้คือรูและอยู่ด้านซิลิกอน n-type - อิเล็กตรอนอิสระ

เมื่อซิลิคอนไม่มีประจุ ดัชนีการหักเหของซิลิคอนจะเปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงส่งผลให้คลื่นแสงที่ผ่านไปเปลี่ยนเฟส

โมดูเลเตอร์ที่กล่าวถึงข้างต้นช่วยให้สามารถมอดูเลตเฟสของสัญญาณอ้างอิงได้ เพื่อเปลี่ยนการมอดูเลตเฟสเป็นแอมพลิจูด (สัญญาณมอดูเลตเฟสนั้นยากต่อการตรวจจับหากไม่มีสัญญาณอ้างอิง) โมดูเลเตอร์แบบออปติคอลยังใช้ Mach-Zehnder interferometer (MZI) เพิ่มเติมซึ่งมีสองแขน โดยในแต่ละแขน มีการรวมเฟสออปติคัลโมดูเลเตอร์ไว้ด้วย (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. บล็อกไดอะแกรมของโมดูเลเตอร์แบบออปติคัล

การใช้เฟสออปติคอลโมดูเลเตอร์ในแขนทั้งสองข้างของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ทำให้สามารถรับประกันความเท่าเทียมกันของความยาวแสงของแขนอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์

คลื่นแสงอ้างอิงที่แพร่กระจายไปตามเส้นใยนำแสงจะถูกแยกด้วยตัวแยกสัญญาณ Y ออกเป็นคลื่นสองคลื่นที่ต่อเนื่องกัน โดยแต่ละคลื่นจะแพร่กระจายไปตามแขนอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ด้านใดด้านหนึ่ง หาก ณ จุดเชื่อมต่อของแขนของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์คลื่นทั้งสองอยู่ในเฟสจากนั้นผลของการเพิ่มคลื่นเหล่านี้จะได้คลื่นเดียวกัน (เราละเลยการสูญเสียในกรณีนี้) เช่นเดียวกับก่อนหน้าอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (การรบกวนเชิงสร้างสรรค์) . หากคลื่นรวมกันในแอนติเฟส (การรบกวนแบบทำลายล้าง) สัญญาณที่ได้จะมีแอมพลิจูดเป็นศูนย์

วิธีการนี้ทำให้สามารถมอดูเลตแอมพลิจูดของสัญญาณพาหะได้ โดยการใช้แรงดันไฟฟ้ากับโมดูเลเตอร์เฟสตัวใดตัวหนึ่ง เฟสคลื่นในแขนอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งจะเปลี่ยนเป็น nหรือไม่เปลี่ยนแปลงเลย จึงจัดให้มีเงื่อนไขสำหรับการแทรกแซงแบบทำลายล้างหรือเชิงสร้างสรรค์ ดังนั้นการใช้แรงดันไฟฟ้ากับโมดูเลเตอร์เฟสด้วยความถี่ ฉสามารถปรับแอมพลิจูดของสัญญาณด้วยความถี่เดียวกันได้ ฉ.

ตามที่ระบุไว้ ตัวปรับแสงซิลิคอนของ Intel ซึ่งสาธิตในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2547 มีความสามารถในการปรับแสงที่ 1 GHz ต่อมาในเดือนเมษายน พ.ศ. 2548 Intel ได้สาธิตโมดูเลเตอร์ที่ทำงานที่ความถี่ 10 GHz

เลเซอร์ซิลิกอนคลื่นต่อเนื่องตามเอฟเฟกต์รามาน

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2548 Intel ได้ประกาศความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอีกครั้ง - การสร้างเลเซอร์ซิลิคอนแบบคลื่นต่อเนื่องโดยใช้เอฟเฟกต์รามัน

เอฟเฟกต์รามันถูกใช้มาเป็นเวลานานแล้ว และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างเครื่องขยายสัญญาณแสงและเลเซอร์โดยใช้ใยแก้วนำแสง

หลักการทำงานของอุปกรณ์ดังกล่าวมีดังนี้ การแผ่รังสีเลเซอร์ (การแผ่รังสีของปั๊ม) ที่มีความยาวคลื่นจะถูกนำเข้าสู่ใยแก้วนำแสง (รูปที่ 5) ในใยแก้วนำแสงโฟตอนจะถูกดูดซับโดยอะตอมของโครงตาข่ายคริสตัลซึ่งส่งผลให้เริ่ม "แกว่งไปแกว่งมา" (เกิดโฟนันแบบสั่นสะเทือน) และนอกจากนี้โฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าก็เกิดขึ้น นั่นคือการดูดกลืนแสงของโฟตอนที่แต่ละโฟตอนที่มีความยาวคลื่น ล.=1.55 มมนำไปสู่การก่อตัวของโฟนอนและโฟตอนที่มีความยาวคลื่น ล.=1.63 มม.

ข้าว. 5. หลักการทำงานของเครื่องขยายสัญญาณแสงเนื่องจากเอฟเฟกต์รามาน

ทีนี้ลองจินตนาการว่ามีการแผ่รังสีแบบมอดูเลตด้วย ซึ่งถูกป้อนเข้าไปในเส้นใยเดียวกันกับการแผ่รังสีแบบปั๊ม และนำไปสู่การปล่อยโฟตอนที่ถูกกระตุ้น เป็นผลให้การแผ่รังสีของปั๊มในเส้นใยดังกล่าวจะค่อยๆถูกแปลงเป็นสัญญาณ, การมอดูเลต, การแผ่รังสีแบบขยายซึ่งก็คือผลของการขยายด้วยแสง (รูปที่ 6)

ข้าว. 6. การใช้เอฟเฟ็กต์รามันเพื่อขยายสัญญาณ
การแผ่รังสีมอดูเลตในใยแก้วนำแสง

อย่างไรก็ตาม ปัญหาก็คือการแปลงลำแสงปั๊มไปเป็นรังสีสัญญาณ ดังนั้น การขยายสัญญาณจึงจำเป็นต้องให้ทั้งรังสีสัญญาณและรังสีปั๊มเคลื่อนที่ไปตามเส้นใยนำแสงหลายกิโลเมตร แน่นอนว่าวงจรขยายสัญญาณที่ใช้ใยแก้วนำแสงหลายกิโลเมตรไม่สามารถเรียกได้ว่าง่ายและราคาถูก เนื่องจากการใช้งานมีจำกัดอย่างมาก

ซึ่งแตกต่างจากแก้วซึ่งเป็นพื้นฐานของใยแก้วนำแสง เอฟเฟกต์รามานในซิลิคอนนั้นแข็งแกร่งกว่า 10,000 เท่า และเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เช่นเดียวกับในใยแก้วนำแสง มันก็เพียงพอแล้วสำหรับรังสีของปั๊มและรังสีของสัญญาณที่จะแพร่กระจายร่วมกันในระยะทาง เพียงไม่กี่เซนติเมตร ดังนั้น การใช้เอฟเฟ็กต์รามานในซิลิคอนทำให้สามารถสร้างเครื่องขยายสัญญาณแสงหรือเลเซอร์ออปติคอลขนาดเล็กและราคาถูกได้

กระบวนการสร้างแอมพลิฟายเออร์ออปติคัลซิลิคอนหรือเลเซอร์รามานเริ่มต้นด้วยการสร้างท่อนำคลื่นซิลิกอนแบบออปติคัล กระบวนการทางเทคโนโลยีนี้ไม่แตกต่างจากกระบวนการสร้างชิป CMOS แบบดั้งเดิมโดยใช้พื้นผิวซิลิกอนซึ่งแน่นอนว่าเป็นข้อได้เปรียบอย่างมากเนื่องจากช่วยลดต้นทุนของกระบวนการผลิตได้อย่างมาก

การแผ่รังสีที่ใส่เข้าไปในท่อนำคลื่นซิลิคอนดังกล่าวจะเดินทางได้เพียงไม่กี่เซนติเมตร หลังจากนั้น (เนื่องจากเอฟเฟกต์รามัน) จะถูกแปลงเป็นรังสีสัญญาณโดยสมบูรณ์โดยมีความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น

ในระหว่างการทดลองปรากฎว่าขอแนะนำให้เพิ่มพลังงานการแผ่รังสีของปั๊มให้ถึงขีด จำกัด ที่แน่นอนเนื่องจากการเพิ่มพลังงานเพิ่มเติมไม่ได้นำไปสู่การเพิ่มการแผ่รังสีของสัญญาณ แต่ในทางกลับกันจะทำให้ความอ่อนแอลง สาเหตุของผลกระทบนี้คือสิ่งที่เรียกว่าการดูดกลืนแสงแบบสองโฟตอนซึ่งมีความหมายดังต่อไปนี้ ซิลิคอนเป็นสารโปร่งใสทางการมองเห็นสำหรับรังสีอินฟราเรด เนื่องจากพลังงานของโฟตอนอินฟราเรดน้อยกว่าช่องว่างของแถบซิลิคอน และไม่เพียงพอที่จะถ่ายโอนอะตอมของซิลิคอนไปสู่สถานะตื่นเต้นด้วยการปล่อยอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม หากความหนาแน่นของโฟตอนสูง สถานการณ์อาจเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนสองตัวชนกับอะตอมของซิลิคอนพร้อมกัน ในกรณีนี้ พลังงานรวมของพวกมันเพียงพอที่จะถ่ายโอนอะตอมด้วยการปล่อยอิเล็กตรอน กล่าวคือ อะตอมจะเข้าสู่สภาวะตื่นเต้นด้วยการดูดซับโฟตอนสองตัวพร้อมกัน กระบวนการนี้เรียกว่าการดูดกลืนแสงแบบสองโฟตอน

อิเล็กตรอนอิสระที่เกิดจากการดูดกลืนสองโฟตอนในทางกลับกันจะดูดซับทั้งรังสีของปั๊มและรังสีของสัญญาณ ส่งผลให้เอฟเฟกต์การรับแสงลดลงอย่างมาก ดังนั้น ยิ่งพลังงานรังสีของปั๊มสูงเท่าไร ผลของการดูดกลืนโฟตอนสองโฟตอนและการดูดกลืนรังสีโดยอิเล็กตรอนอิสระก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น ผลเสียจากการดูดกลืนแสงแบบสองโฟตอนทำให้ไม่สามารถสร้างเลเซอร์ซิลิกอนคลื่นต่อเนื่องได้เป็นเวลานาน

ในเลเซอร์ซิลิคอนที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการของ Intel เป็นครั้งแรกที่สามารถหลีกเลี่ยงผลกระทบของการดูดกลืนรังสีแบบสองโฟตอนหรือไม่ใช่ปรากฏการณ์ของการดูดกลืนแสงแบบสองโฟตอนเอง แต่เป็นผลเสีย - การดูดซับรังสีบน อิเล็กตรอนอิสระก่อตัวขึ้น เลเซอร์ซิลิกอนเรียกว่าโครงสร้าง PIN (ชนิด P - ภายใน - ชนิด N) (รูปที่ 7) ในโครงสร้างนี้ ท่อนำคลื่นซิลิคอนถูกฝังอยู่ภายในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่มีบริเวณ P และ N โครงสร้างนี้คล้ายกับวงจรทรานซิสเตอร์ระนาบที่มีท่อระบายและแหล่งกำเนิด และแทนที่จะมีเกต ท่อนำคลื่นซิลิคอนก็ถูกรวมเข้าด้วยกันแทนเกต ท่อนำคลื่นซิลิคอนนั้นถูกสร้างขึ้นเป็นพื้นที่หน้าตัดสี่เหลี่ยมของซิลิคอน (ดัชนีการหักเหของแสง 3.6) ล้อมรอบด้วยเปลือกของซิลิคอนออกไซด์ (ดัชนีการหักเหของแสง 1.5) เนื่องจากความแตกต่างในดัชนีการหักเหของผลึกซิลิคอนและซิลิคอนออกไซด์ จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างท่อนำคลื่นแสงและหลีกเลี่ยงการสูญเสียรังสีเนื่องจากการแพร่กระจายตามขวาง

ข้าว. 7. โครงสร้าง PIN ของเลเซอร์ซิลิกอนคลื่นต่อเนื่อง

การใช้โครงสร้างคลื่นดังกล่าวและปั๊มเลเซอร์ที่มีกำลังเพียงเศษเสี้ยววัตต์ สามารถสร้างรังสีในท่อนำคลื่นที่มีความหนาแน่นประมาณ 25 MW/cm 2 ได้ ซึ่งสูงกว่าความหนาแน่นของรังสีที่ สามารถรับได้โดยใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง อัตราขยายของรามานที่ความหนาแน่นของรังสีนี้ไม่สูงมาก (ประมาณหลายเดซิเบลต่อเซนติเมตร) แต่ความหนาแน่นนี้ค่อนข้างเพียงพอสำหรับการนำเลเซอร์ไปใช้

เพื่อขจัดผลกระทบด้านลบของการดูดกลืนรังสีโดยอิเล็กตรอนอิสระที่สร้างขึ้นในท่อนำคลื่นอันเป็นผลมาจากการดูดกลืนแสงแบบโฟตอน 2 ตัว จึงวางท่อนำคลื่นซิลิคอนไว้ระหว่างประตูสองบาน หากเกิดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างประตูเหล่านี้ อิเล็กตรอนอิสระและรูจะถูก "ดึง" ออกจากท่อนำคลื่นซิลิคอนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ซึ่งจะช่วยขจัดผลกระทบด้านลบของการดูดกลืนโฟตอนสองโฟตอน

ในการสร้างเลเซอร์ตามโครงสร้าง PIN นี้ จำเป็นต้องเพิ่มกระจกสองตัวที่ปลายท่อนำคลื่น ซึ่งหนึ่งในนั้นจะต้องโปร่งแสง (รูปที่ 8)

ข้าว. 8. แผนผังของเลเซอร์ซิลิกอนคลื่นต่อเนื่อง

ไฮบริดซิลิคอนเลเซอร์

เลเซอร์ซิลิกอนคลื่นต่อเนื่องที่ใช้เอฟเฟกต์รามันนั้นโดยพื้นฐานแล้วต้องใช้แหล่งกำเนิดรังสีภายนอกซึ่งใช้เป็นรังสีแบบปั๊ม ในแง่นี้ เลเซอร์นี้ไม่ได้แก้ปัญหาหลักประการหนึ่งของซิลิคอนโฟโตนิกส์ นั่นคือความสามารถในการรวมบล็อกโครงสร้างทั้งหมด (แหล่งกำเนิดรังสี ตัวกรอง โมดูเลเตอร์ เดโมดูเลเตอร์ ท่อนำคลื่น ฯลฯ) ไว้ในชิปซิลิคอนตัวเดียว

นอกจากนี้ การใช้แหล่งกำเนิดรังสีจากภายนอก (ซึ่งอยู่นอกชิปหรือแม้แต่บนพื้นผิว) จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงมากในการจัดตำแหน่งเลเซอร์เมื่อเทียบกับท่อนำคลื่นซิลิคอน เนื่องจากการไม่ตรงแนวของไมครอนหลายไมครอนอาจทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดใช้งานไม่ได้ (รูปที่. 9) ข้อกำหนดสำหรับการปรับความแม่นยำไม่อนุญาตให้นำอุปกรณ์ประเภทนี้ออกสู่ตลาดมวลชนและทำให้มีราคาค่อนข้างแพง ดังนั้น การจัดตำแหน่งของเลเซอร์ซิลิคอนที่เกี่ยวข้องกับท่อนำคลื่นซิลิคอนจึงเป็นหนึ่งในงานที่สำคัญที่สุดในซิลิคอนโฟโตนิกส์

ข้าว. 9. เมื่อใช้เลเซอร์ภายนอก จำเป็นต้องมีการจัดตำแหน่งเลเซอร์ที่แม่นยำ
และท่อนำคลื่น

ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้หากเลเซอร์และท่อนำคลื่นถูกสร้างขึ้นในผลึกเดียวภายในกระบวนการทางเทคโนโลยีเดียวกัน นั่นคือเหตุผลที่การสร้างเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดถือได้ว่าเป็นการนำซิลิคอนโฟโตนิกส์ไปสู่อีกระดับหนึ่ง

หลักการทำงานของเลเซอร์ไฮบริดนั้นค่อนข้างเรียบง่ายและขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการเปล่งแสงของอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และความสามารถของซิลิคอนในการนำแสง

โครงสร้างของไฮบริดเลเซอร์แสดงไว้ในรูปที่ 1 10. อินเดียมฟอสไฟด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารออกฤทธิ์ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ตั้งอยู่เหนือท่อนำคลื่นซิลิคอนโดยตรงและถูกแยกออกจากกันด้วยชั้นอิเล็กทริกบาง ๆ (ความหนาเพียง 25 ชั้นอะตอม) - ซิลิคอนออกไซด์ซึ่งก็คือ " โปร่งใส” ต่อรังสีที่เกิดขึ้น เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด การไหลของอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นในทิศทางจากขั้วลบไปยังขั้วบวก เป็นผลให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านโครงสร้างผลึกของอินเดียมฟอสไฟด์ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอินเดียมฟอสไฟด์ กระบวนการรวมตัวกันใหม่ของรูและอิเล็กตรอนจะผลิตโฟตอน ซึ่งก็คือรังสี รังสีนี้จะกระทบกับท่อนำคลื่นซิลิคอนโดยตรง

ข้าว. 10. โครงสร้างของเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริด

โครงสร้างที่อธิบายไว้ของเลเซอร์ซิลิกอนไม่จำเป็นต้องมีการวางแนวเลเซอร์เพิ่มเติมโดยสัมพันธ์กับท่อนำคลื่นซิลิกอน เนื่องจากตำแหน่งสัมพัทธ์ของพวกมันสัมพันธ์กันจะถูกรับรู้และควบคุมโดยตรงในระหว่างการก่อตัวของโครงสร้างเสาหินของเลเซอร์ไฮบริด

กระบวนการผลิตเลเซอร์ไฮบริดดังกล่าวแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอนหลัก เริ่มแรกใน "แซนวิช" ที่ประกอบด้วยชั้นซิลิคอน ชั้นฉนวน (ซิลิคอนออกไซด์) และชั้นซิลิคอนอีกชั้น โครงสร้างท่อนำคลื่นจะเกิดขึ้นจากการแกะสลัก (รูปที่ 11) และขั้นตอนการผลิตทางเทคโนโลยีนี้ไม่แตกต่างจากกระบวนการเหล่านั้น ที่ใช้ระหว่างวงจรไมโครการผลิต

ข้าว. 11. การก่อตัวของโครงสร้างท่อนำคลื่นในซิลิคอน

ต่อไป จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างผลึกอินเดียมฟอสไฟด์บนพื้นผิวของท่อนำคลื่น แทนที่จะใช้กระบวนการที่ซับซ้อนทางเทคโนโลยีในการปลูกโครงสร้างผลึกอินเดียมฟอสไฟด์บนโครงสร้างท่อนำคลื่นที่เกิดขึ้นแล้ว จะกลายเป็นสารตั้งต้นของอินเดียมฟอสไฟด์พร้อมกับชั้นเซมิคอนดักเตอร์ n-type ถูกสร้างขึ้นแยกกันซึ่งง่ายกว่าและราคาถูกกว่ามาก ความท้าทายคือการเชื่อมโยงอินเดียมฟอสไฟด์กับโครงสร้างท่อนำคลื่น

ในการทำเช่นนี้ ทั้งโครงสร้างท่อนำคลื่นซิลิคอนและซับสเตรตของอินเดียมฟอสไฟด์จะต้องผ่านกระบวนการออกซิเดชันในพลาสมาออกซิเจนอุณหภูมิต่ำ จากผลของการเกิดออกซิเดชันนี้ บนพื้นผิวของวัสดุทั้งสองจึงได้สร้างฟิล์มออกไซด์ที่มีความหนาเพียง 25 ชั้นอะตอม (รูปที่ 12)

ข้าว. 12. สารตั้งต้นอินเดียมฟอสไฟด์
โดยมีชั้นออกไซด์เกิดขึ้น

เมื่อวัสดุทั้งสองถูกให้ความร้อนและกดเข้าด้วยกัน ชั้นออกไซด์จะทำหน้าที่เป็นกาวโปร่งใส โดยหลอมรวมเป็นผลึกเดี่ยว (รูปที่ 13)

ข้าว. 13. “การติดกาว” โครงสร้างของท่อนำคลื่นซิลิคอน
พร้อมแผ่นรองหลังอินเดียมฟอสไฟด์

เป็นเพราะเลเซอร์ซิลิกอนของการออกแบบที่อธิบายไว้ประกอบด้วยวัสดุสองชนิดที่ติดกาวเข้าด้วยกันซึ่งเรียกว่าไฮบริด หลังจากกระบวนการพันธะ อินเดียมฟอสไฟด์ส่วนเกินจะถูกกำจัดออกโดยการกัด และเกิดหน้าสัมผัสที่เป็นโลหะ

กระบวนการทางเทคโนโลยีในการผลิตเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดช่วยให้สามารถวางเลเซอร์หลายสิบหรือหลายร้อยตัวบนชิปตัวเดียว (รูปที่ 14)

ข้าว. 14. แผนผังชิปที่ประกอบด้วยสี่ตัว
เลเซอร์ซิลิคอนไฮบริด

ชิปตัวแรกที่ Intel สาธิตร่วมกับมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย มีเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดเจ็ดตัว (รูปที่ 15)

ข้าว. 15. การแผ่รังสีจากเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดเจ็ดตัว
สร้างขึ้นบนชิปตัวเดียว

เลเซอร์ไฮบริดเหล่านี้ทำงานที่ความยาวคลื่น 1577 นาโนเมตรที่กระแสไฟเริ่มต้นที่ 65 mA โดยมีกำลังเอาต์พุตสูงถึง 1.8 mW

ปัจจุบัน เลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 40 °C แต่ในอนาคตมีแผนจะเพิ่มอุณหภูมิในการทำงานเป็น 70 °C และลดเกณฑ์กระแสไฟลงเหลือ 20 mA

อนาคตของซิลิคอนโฟโตนิกส์

การพัฒนาเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดอาจมีผลกระทบในวงกว้างสำหรับโฟโตนิกของซิลิคอน และนำไปสู่ยุคของการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสูง

ในอนาคตอันใกล้นี้ เลเซอร์ซิลิกอน โมดูเลเตอร์ และมัลติเพล็กเซอร์หลายสิบตัวจะถูกรวมเข้ากับชิป ซึ่งจะทำให้สามารถสร้างช่องทางการสื่อสารแบบออปติคอลที่มีปริมาณงานเป็นเทราบิตได้ (รูปที่ 16)

ข้าว. 16. ไมโครวงจรช่องสัญญาณสื่อสารออปติคอล
ประกอบด้วยเลเซอร์ซิลิกอนหลายสิบชิ้น
ฟิลเตอร์ โมดูเลเตอร์ และมัลติเพล็กเซอร์

“ด้วยการพัฒนานี้ เราจะสามารถสร้างบัสข้อมูลแบบออปติคอลราคาประหยัดพร้อมแบนด์วิธเทราบิตสำหรับคอมพิวเตอร์แห่งอนาคต ดังนั้น เราจะสามารถนำการเริ่มต้นยุคใหม่ของการประมวลผลประสิทธิภาพสูงเข้ามาใกล้ยิ่งขึ้น” Mario Paniccia ผู้อำนวยการฝ่าย Photonics Technology Lab ของ Intel Corporation กล่าว แม้ว่าการใช้เทคโนโลยีนี้ในเชิงพาณิชย์จะยังห่างไกล แต่เรามั่นใจว่าจะสามารถรองรับเลเซอร์ซิลิคอนไฮบริดหลายสิบหรือหลายร้อยชิ้น รวมถึงส่วนประกอบที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์อื่นๆ บนชิปซิลิคอนตัวเดียวได้”

ซิลิคอนโฟโตนิกส์เป็นหนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งสัญญาว่าจะลดการใช้พลังงานและเพิ่มปริมาณงานได้อย่างมาก เทคโนโลยีนี้ช่วยให้ชิปอิเล็กโทรออปติคัลถูกสร้างขึ้นบนชิปซิลิคอนตัวเดียว ช่วยให้ชิปแต่ละตัวสามารถสื่อสารผ่านออปติคัลแทนสัญญาณไฟฟ้าได้ IBM ใช้เวลาประมาณ 12 ปีในการสร้างชิปไฮบริดที่ใช้งานได้ตัวแรก ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของระบบด้วยชิปดังกล่าวทำให้สามารถสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังได้มากกว่าที่กำลังทำงานอยู่ในปัจจุบัน

ดังนั้น การใช้พัลส์แสงแทนพัลส์ไฟฟ้าทำให้สามารถถ่ายโอนข้อมูลจำนวนมากได้อย่างรวดเร็วทั้งภายในชิปตัวเดียวและระหว่างส่วนต่างๆ ของระบบคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ ก่อนหน้านี้ บริษัทสามารถสร้างเครื่องรับส่งสัญญาณโฟโตนิกที่ให้การทำงานของช่องสัญญาณมัลติเพล็กซ์ตามความยาวคลื่นของแสง ขณะนี้บริษัทสามารถวางชิปที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์ลงบนโมดูลโปรเซสเซอร์ได้โดยตรง

Bert Offrein หัวหน้ากลุ่มโฟโตนิกส์ที่ IBM Research - Zurich ร่วมกับเพื่อนร่วมงานจากยุโรป สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น เสนอให้พิจารณาชิปที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอนบนพื้นฐานที่เท่าเทียมกันกับโปรเซสเซอร์ซิลิคอนทั่วไป เทคโนโลยีสำหรับการผลิตชิปดังกล่าวยังนำเสนอเป็นแบบไฮบริดอีกด้วย ทีมงานได้สาธิตการทำงานที่มีประสิทธิภาพของชิปไฮบริด ซึ่งชี้ให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่เป็นไปได้ในเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอน การออกแบบในปัจจุบันมักเกี่ยวข้องกับการใช้ตัวรับส่งสัญญาณแสงที่ขอบของบอร์ด แต่นี่ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหา เนื่องจากตัวรับส่งสัญญาณอยู่ห่างจากโปรเซสเซอร์เพียงพอ และประสิทธิภาพของระบบก็ลดลงอย่างมาก

เส้นสีน้ำเงินเป็นเส้นใยนำแสงที่ส่งข้อมูลในรูปแบบของพัลส์แสง โครงสร้างสีส้มเหลืองเป็นตัวนำทองแดงที่สัญญาณไฟฟ้าความเร็วสูงผ่านไป นักพัฒนาสามารถรวมตัวนำทั้งสองประเภทไว้ในชิปตัวเดียวได้

การพัฒนาชิปไฮบริดทำให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบทั้งหมดที่ใช้ชิปดังกล่าวได้หลายเท่า ทีมพัฒนาสามารถพัฒนาวิธีการเชื่อมต่อตัวนำแสงโพลีเมอร์และซิลิคอนได้ แม้ว่าขนาดของโครงสร้างดังกล่าวจะแตกต่างกันมากก็ตาม

ระบบคอมพิวเตอร์ที่มีชิปไฮบริดประเภทนี้จะถูกนำมาใช้ในการทำงานกับข้อมูลจำนวนมหาศาล ซึ่งจะช่วยให้สามารถคำนวณเชิงวิเคราะห์และประมวลผลข้อมูลได้ในเวลาไม่กี่วินาที ซูเปอร์ซิสเต็มการประมวลผลทางปัญญาสามารถช่วยยกระดับเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ไปสู่อีกระดับหนึ่ง แต่ผู้เชี่ยวชาญยังมีงานอีกมากที่ต้องทำก่อนที่ทุกอย่างจะเป็นไปได้