Кремниевая фотоника. IBM представила гибридную микросхему: кремниевая фотоника в действии. Среда передачи данных

Вот и наступила весна… А вместе с ней пришла пора очередного Форума Intel для разработчиков (IDF), проводимого дважды в год в солнечной Калифорнии и регулярно гостящего в других городах мира (с недавних пор - и в России). Причем, весна в данном случае пришлась не просто для красного словца - в Сан-Франциско, где IDF в очередной раз проходит с 1 по 3 марта в громадном конференц-центре Moscone West,

действительно сейчас тепло, цветут деревья и кусты, обдавая весенними ароматами, а местные жители ходят по улицам в рубашках или легких куртках, если нет дождя. На этом жизнерадостном фоне прилетев из заснеженной Москвы не так просто было бы просиживать целыми днями в конференц-залах и пресс-румах, толкаться среди нескольких тысяч посетителей и организаторов IDF на шоу-кейсах и в кулуарах. Если бы не та, порой уникальная и захватывающая информация, которая громадными порциями сваливается на тебя, не оставляя ни минуты покоя. Даже мне, регулярному посетителю центральных Форумов Intel (а также многих других выставок и конференций сходной тематики), пресытившемуся, казалось бы, подобными мероприятиями и воспринимающими их едва ли не как очередной голливудский блокбастер, добротно слепленный по давно известным клише, нередко приходится удивляться тому потоку новинок, который заготовили для участников IDF его организаторы. Удивляться и даже местами восхищаться…

Нашим постоянным читателям, наверное, уже нет нужды объяснять, что такое Intel Developer Forum и «с чем его едят». Это мероприятие, регулярно в течение многих лет проводимое корпорацией Intel и ее ближайшими друзьями по IT-цеху, имеет свои индивидуальные особенности, отличающие его как от различных компьютерных выставок (вроде CeBIT, Computex, Comdex или CES, где сотни и тысячи производителей IT-продукции хвастаются своими достижениями с целью их повыгоднее продать), так и от крупных мировых научных и технических конференций (вроде Material Research Society Meeting, IEEE и других подобных, где сотни ведущих мировых институтов и исследовательских лабораторий сообщают о новейших научных открытиях, изобретениях и технологиях, внедрением которых предстоит заниматься еще немало лет). На мой взгляд, IDF все же ближе именно к последним, чем к первым. Поскольку Intel, расходующая на Research & Development более 4 миллиардов долларов ежегодно, на IDF как раз старается продемонстрировать не столько текущие и готовые к выпуску на рынок продукты (микропроцессоры, платформы и пр.),

сколько сообщить индустрии тот вектор, в котором она будет развиваться в течение ближайших лет. Обнародовать те нынешние и будущие технологии, внедрением которых корпорация занимается вместе со своими партнерами и другими IT-разработчиками, привлечь на свою сторону новых исследователей и инженеров (то есть «девелоперов», по названию Форума), а возможно, и обсудить целесообразность тех или иных шагов в рамках всего IT-сообщества. И хотя, безусловно, «выставочно-продажная» канва на IDF в некоторой мере тоже присутствует, наиболее ценной и интересной, на мой взгляд, является именно исследовательски-технологическая его часть.

Вот и «нулевой» день нынешнего IDF, прошедший 28 февраля для ведущей прессы и аналитиков со всего мира, преподнес несколько сюрпризов, о чем я и постараюсь рассказать в этом репортаже, предваряющем рассказ о самом Форуме.

Кремниевая нанотехнология: взгляд на 20 лет вперед

В первом докладе нулевого дня речь пошла о том, какими путями может и будет развиваться кремниевая технология производства вычислительных устройств в ближайшие десятилетия. Кратко и примитивно это можно было бы назвать «оправданием закона Мура на 20 лет вперед», если бы такой банальный на первый взгляд посыл не был подкреплен захватывающими дух деталями научных исследований в области нанотехнологий и их воплощением на практике в технологии промышленного масштаба. Доклад представил Пауло Джарджини (Paulo Gargini, на фото), директор Intel Technology Strategy и Intel Nanotechnology Research.

Более чем часовая презентация проходила в очень быстром темпе, не давая ни на секунду опомниться и спокойно поразмышлять над тем или иным слайдом. Ее подробный пересказ, видимо, был бы полезен для некоторых наших вдумчивых читателей. Но он занял бы непомерно много места (это около сотни «серьезных» слайдов, к каждому из которых еще нужно добавить немало комментариев). Поэтому я отмечу лишь отдельные наиболее интересные, на мой взгляд, моменты, тем более что некоторые из присутствовавших в нем деталей я и мои коллеги уже описывали в своих статьях по результатам предыдущих IDF и недавних «технологических прорывов» Intel. Более развернуто я изложу этот материал, возможно, в другой раз.

Последние 40 лет число элементов на кремниевых кристаллах неуклонно продолжало удваиваться каждые два года, а стоимость одного транзистора на кристалле теми же темпами снижалась.

Лет 10 назад ученые предрекали большие проблемы при переходе к 100-нанометровым приборам, но, к счастью, этого не случилось, и нынче у лидеров отрасли есть хорошо изученные перспективы развития традиционной кремниевой технологии с планарными КМОП-транзисторами еще лет на 10 вперед (см. слайд).

Необходимость в принципиально новых электронных приборах возникнет лишь году к 2013-му, когда возможности миниатюризации нынешних приборов фактически будут исчерпаны.

Среди новых кремниевых приборов рассматриваются многозатворные (например, tri-gate) нанотранзисторы, приборы на основе кремниевых нанотрубок, полностью окруженные затвором, а также приборы с квазибаллистическим транспортом.

В более отдаленной перспективе рассматриваются также углеродные нанотрубки диаметром в единицы нанометров, которые, в зависимости от строения, могут выступать в качестве металла или полупроводника. Интересными для наноэлектроники являются приборы на базе гетероструктур InSb (с уникально высокой подвижностью), см. слайд.

А что же будет после 2020 года, когда КМОП-технология исчерпает возможности миниатюризации, достигнув атомарного предела?

Тогда в ход, возможно, пойдет спинтроника - оперирование магнитными моментами элементарных частиц:

Кое-кто поговаривает и о квантовых компьютерах. Пока же КМОП-технология жива и закон Мура будет действовать еще, по крайней мере, лет 15-20.

Кремниевая фотоника: новый прорыв

Другим интересным событием нулевого дня этого IDF стал доклад о , созданном на кремниевом кристалле в Intel. Строго говоря, новость об этом обошла мир за несколько дней до IDF (17 февраля вышла соответствующая статья в Nature и пресс-релиз корпорации), но здесь главные разработчики нового прибора прилюдно поделились многими доселе неизвестными деталями и продемонстрировали аудитории многочисленные кристаллы с такими лазерами. Например, на этом фото (фото автора) кристалл содержит сразу 8 таких лазеров.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что для того, чтобы создать такой лазер на кремнии, ученым Intel пришлось решить важную проблему - так называемой «двухфотонной абсорбции», которая ранее препятствовала созданию непрерывного лазера на кремнии.

Использование кремния в качестве материала для создания лазера и для многократного усиления ИК-излучения (благодаря гигантскому, примерно в 20000 раз эффекту Рамана),

прежде было проблематично, поскольку рамановское усиление при мощной накачке выходило в насыщение, и получаемой при насыщении мощности не хватало для создания непрерывного лазера.

Дело в том, что энергии одного инфракрасного фотона (кванта света) недостаточно для того, чтобы при соударении с атомом кристаллической решетки кремния выбить из него (освободить) электрон. Однако если с атомом столкутся сразу два фотона (что нередко происходит при интенсивной накачке лазера внешним излучением), то ионизация атома становится возможной, и свободные электроны в кремнии начинают сами поглощать фотоны, препятствуя тем самым дальнейшему рамановскому усилению. Проблему удалось решить, создав вдоль оптического канала так называемую p-i-n-структуру (области кремния с дырочной и электронной проводимостью соответственно по бокам нелегированного оптического канала в кремнии, см. рисунок).

Подавая электрическое смещение между p- и n-областями кремния, «двухфотонные» свободные электроны можно эффективно удалять из области оптического канала, существенно повышая тем самым рамановское усиление в кремнии и создавая непрерывный лазер.

На базе данного решения можно создавать два важных оптических прибора прямо на едином кристалле кремния - усилитель и модулятор сигналов.

А также при помощи каскадов зеркал (расположенных прямо на кремнии) делать многоволновые оптические каналы связи и компактные лазеры для различных применений.

В руках у Mario Paniccia, директора Intel Photonic Technology Lab, кристалл нового непрерывного кремниевого лазера (справа) и традиционный дорогой рамановский оптический усилитель (слева):

Это достижение сотрудников Intel открывает новые горизонты развития кремниевой фотоники и ее дальнейшего внедрения в традиционную микроэлектронику.

Фотонная логика пока что не заменит полу­проводник­овой, но уже может применяться для передачи данных. Как между устройствами, так и между ядрами процессора.

Глядя на недавний анонс "железных" новинок от Apple, так и хочется сказать, что новые технологии словно тропическая зелень: ещё вчера был маленький чахлый побег, а сегодня уже мощная лиана, глубоко пустившая корни и крепко охватившая своими побегами рыночный ствол вычислительной техники.

Появление первых "маков" с интерфейсом Thunderbolt было воспринято с любопытством, но не более того. Также в своё время рынок смотрел на диковинный порт FireWire в ноутбуках Apple PowerBook 3G.

Последовавшее за этим включение Thunderbolt, совмещённого с Display Port, практически во всю вычислительную технику Apple заставило производителей периферии серьёзно задуматься о поддержке этой технологии. Благо новый контроллер, разработанный компанией Intel, одновременно поддерживает и "удар грома", и спецификацию USB 3.0. И если с последним интерфейсом всё ясно, то вот Thunderbolt полон загадок. Каких?

Ну, например, из серии "Что в имени тебе моём?". Ведь Thunderbolt - это рыночное наименование исследовательской технологии Intel Light Peak, где ключевым словом является light - свет. Те десять гигабит в секунду, которые сейчас предлагает потребителю Thunderbolt, передавая данные по медным проводам на расстояние до трёх метров, - воистину цветочки в сравнении с пятьюдесятью гигабитами в секунду, которые Light Peak обеспечивает по оптическому кабелю на сотню метров.

Появление оптического варианта Thunderbolt - дело недалёкого будущего. Будущего, в котором, наряду с привычной нам микроэлектроникой, помогать обрабатывать данные начнёт "царица света" - фотоника.

О том, как в Intel используют фотонику в технологии высокоскоростного обмена данными Silicon Photonics Link, можно прочесть в статье "Скачать за секунду: достижения кремниевой фотоники ".

Решения Intel на базе кремниевой фотоники обеспечат пятьдесят гигабит в секунду пропускной способности интерфейса компьютера с периферией

Пришло время посмотреть на компоненты систем на основе кремниевой фотоники детальнее. Систем, потому что решения Intel - далеко не единственные. И, что самое главное, сегодня это уже не просто лабораторные экзерсисы. Кремниевая фотоника обзавелась всеми необходимыми возможностями и вполне готова плодотворно сотрудничать с имеющимися микроэлектронными решениями.

Примером такого сотрудничества может служить герой нынешнего материала - проект компании IBM с метким названием SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

Фотоника. Кирпичики технологии

Способна ли фотоника полностью заменить электронику в микросхемотехнике? Наверное, нет. Распространение света основывается на законах оптики, что вносит существенные ограничения в разработку таких базовых компонентов, как транзисторы, конденсаторы и диоды. Нет, попытки разработать оптические аналоги транзистора предпринимались достаточно давно, да и сегодня они не прекращаются. Только вот составить конкуренцию отработанной технологии КМОП они не могут.

Схема фотонного транзистора была предложена ещё в восьмидесятых годах прошлого столетия

В чём фотоника действительно преуспевает, так это в реализации высокоскоростных каналов, связывающих компоненты цифровых схем. То есть в тех местах, где электроника начинает всё активнее буксовать. Увеличение степени интеграции компонентов микросхем сказывается на размерах соединяющих их металлических проводников. С переходом на двадцатидвухнанометровый технологический процесс производства КМОП инженеры столкнулись с проблемой переходных явлений в миниатюрных медных шинах. Явления эти способны легко привести к ошибкам в работе сложного вычислительного комплекса, плотно упакованного в кремниевый чип.

Использование фотоники в качестве коммуникационной среды микросхем позволяет технологам одновременно избавить новые чипы от влияния переходных процессов в медных проводниках и существенно снизить нагрев микросхемы. В отличие от непродуктивно превращающих свою энергию в тепло электронов, фотоны, продвигаясь по оптическому проводнику, совершенно не рассеивают тепло.

Итак, компромиссным решением является комбинация электроники и фотоники. За электроникой остаётся основа цифровой схемотехники, а фотоника берёт на себя роль универсальной проводящей среды.

Что же для такой среды нужно? В первую очередь источник фотонов - лазер. Далее - проводящая среда, по которой фотоны смогут распространяться внутри микросхем, - волноводы. Чтобы нули и единицы, сформированные электронными компонентами, превратились в световой поток, и для обратного преобразования потребуются модуляторы и демодуляторы, но, конечно же, не простые, а оптические.

Ну и, чтобы добиться высокой пропускной способности, необходимой каналам нынешних интегральных микросхем, потребуются мультиплексоры и демультиплексоры (тоже, конечно, оптические). Причём все эти компоненты необходимо реализовать на той же самой кремниевой базе, которая используется и для технологии КМОП.

Разработка этих "кирпичиков" - путь, которым шла кремниевая фотоника последние двадцать лет. За это время была предложена масса уникальных решений, которые и явились той самой "суммой технологий", позволяющей фотонике перейти на качественно новый уровень. Уровень интегрированных оптико-электронных схем.

Кремниевые лазеры

Вообще-то словосочетание "кремниевый лазер" - это оксюморон. Являясь так называемым непрямозонным полупроводником, кремний совершенно не способен излучать свет. Вот почему в оптоволоконных телекоммуникациях используются решения на основе других (прямозонных) полупроводников, например арсенида галлия. При этом кремний отлично подходит для создания волноводов и детектирования оптических сигналов в электрические.

Так в чём же проблема? Можно использовать внешний по отношению к кремниевой схеме лазер или же разработать гибридную схему на основе кремния и, например, того же арсенида галлия. Но ни то ни другое решение нельзя считать эффективным. В случае использования внешнего лазера (а в современных волоконно-оптических системах макроуровня так и делается) на микроуровне практически невозможно точно откалибровать луч по отношению к волноводу нанометровых размеров. Включение же арсенида галлия в технологический процесс производства чипов КМОП потерпело неудачу. Слишком разные условия для производства нужны этим двум полупроводникам.

Так что же, кремниевому лазеру никогда не увидеть (точнее, не испустить) свет? Конечно же, нет. Кремний можно заставить светить, если применить различные хитрости. Например, легировать его материалом, который будет испускать фотоны за кремний. Или так изменить структуру самого кремния, что он вынужден будет засветиться. Третий способ - применить комбинационное рассеяние света (его ещё называют рамановским), временно превращающее кремний в практически прямозонный полупроводник.

Один из способов заставить кремний светиться - создать пористую кремниевую структуру

Схема и микрофотография лазера на основе рамановского рассеяния

В настоящее время наибольших успехов учёные добились в области технологий легирования кремния. Самая известная реализация кремниевого лазера непрерывного действия на их основе - лазер, разработанный компанией Intel совместно с Калифорнийским университетом Санта-Барбары. Учёным удалось с помощью окиси "приклеить" прямозонный полупроводник фосфид индия к кремниевому волноводу. Толщина "клея" при этом составляет всего 25 атомов. Создавая разность потенциалов между кремнием и фосфидом индия (это называется "электрическая накачка"), они добились формирования фотонов, которые через "клей" проникают в кремниевый волновод.

Схема схема гибридного кремниевого лазера непрерывного действия

На основе такой схемы создаются варианты гибридного кремниевого лазера с разной длиной волны (инфракрасного диапазона, прозрачного для кремния), что позволяет реализовать многоканальную коммуникационную систему.

Кремниевые модуляторы

Испускаемый кремниевым лазером поток фотонов можно представить как несущую частоту, которую требуется модулировать двоичным сигналом.

Оптические модуляторы считались невозможными до тех пор, пока учёные не решили использовать явление интерференции света. В общем виде модулированный оптический сигнал можно получить путём интерференции опорного пучка света и пучка, прошедшего через материал, изменяющий показатель преломления под воздействием электрического тока (так называемый электрооптический эффект). К сожалению, кремний и здесь подкачал - его симметричная кристаллическая решётка не позволяет реализовать электрооптический эффект. На помощь вновь пришло легирование.

Учёные раздвоили кремниевый волновод и нарастили на одном из его плеч слой нитрида кремния, который растянул кристаллическую решётку кремния. Приложение к этому участку напряжения приводит к преломлению света в этом плече волновода. При этом в другом плече этот же поток распространяется без искажения.

Микрофотография участка плеча преломления света в модуляторе Маха-Цендера

Реализация всего модулятора Маха-Цендера и его варианты.

Объединение этих потоков на выходе приводит к их интерференции, при этом выходной поток будет модулироваться приложением напряжения к плечу волновода с нитридом кремния. Изобретать велосипед учёным не пришлось. Подобный эффект широко применяется в интерферометрах Маха-Цендера. Поэтому кремниевые модуляторы и демодуляторы назвали точно так же.

Кремниевые мультиплексоры

Множество модулированных световых потоков от множества лазеров с разной длиной волны может существенно повысить пропускную способность коммуникационного канала за счёт распараллеливания передачи данных. Но как это множество потоков объединить в один? Да ещё и таким образом, чтобы на выходе полученный суммарный поток снова можно было разделить. Здесь на помощь придут мультиплексоры. Оптические, естественно.

Идея оптического мультиплексора на основе массива волноводов (AWG)

Микрофотография AWG-мультиплексора

Оптический мультиплексор на основе каскада модуляторов Маха-Цендера

В настоящее время предложена технология микроминиатюрного мультиплексирования света путём его спектрального уплотнения (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Чаще всего для её реализации используют дифракционную структуру на основе массива волноводов и зеркал (AWG - Arrayed Waveguide Grating), в которой каждый пучок света движется по собственному волноводу, искривлённому в соответствии с его длиной волны. Смыкаясь, эти волноводы и дают результирующий спектрально-уплотнённый поток. Другим распространённым решением является использование каскада уже известных нам модулятров Маха-Цендера.

IBM SNIPER. Кремниевый терабит

Решения в области кремниевой фотоники, предложенные компанией Intel, направлены на продвижение фотонных технологий в области интерфейсов периферийных устройств. Ближайшей коммерческой перспективой является пятидесятигигабитный оптический вариант интерфейса Thunderbolt (возможно, к моменту промышленной реализации его назовут по-другому). В более отдалённой перспективе Intel рассматривает увеличение пропускной способности до двухсот гигабит в секунду. Сказать, что это быстро, значит не сказать ничего: например, содержимое диска DVD при такой скорости может быть передано за одну секунду.

Точно такую же цель поставила перед собой лаборатория IBM Research. Поставила и добилась! Правда, использовать свой терабит IBM планирует не в коммуникационных интерфейсах, а в высокоскоростных шинах, соединяющих ядра многоядерного процессора.

Межядерная коммуникация на основе кремниевой фотоники

Идея проекта SNIPER от IBM Research (синим цветом показана фотонная часть схемы)

Проект SNIPER является практической реализацией идеи нанофотоники, использующей рассмотренные выше "строительные блоки" для создания фотонной коммуникационной сети. Эта фотонная сеть интегрирована поверх многослойного "пирога" системы на чипе, включающем многопроцессорный модуль и модуль оперативной памяти. Имея выходы наружу, такая сеть обеспечивает подключение этой системы на чипе к высокоскоростной оптической шине данных, соединяющей процессор с периферией. Внутренняя же волноводная разводка обеспечивает маршрутизацию данных между ядрами процессорного модуля.

Шестиканальный фотонный модуль проекта SNIPER

В настоящее время проект SNIPER может похвастаться реализацией шестиканального модуля фотонного приёмо-передатчика, использующего гибридные кремниевые лазеры, модуляторы Маха-Цендера и мультиплексор на основе массива волноводов. Пропускная способность каждого канала этого приёмо-передатчика составляет двадцать гигабит в секунду. На подложке размером 25 квадратных миллиметров реализовано пятьдесят таких каналов, что обеспечивает тот самый терабит пропускной способности.

Фотонный чип проекта SNIPER, обеспечивающий терабитную пропускную способность

Что самое главное, SNIPER - уже не исследовательский проект. Библиотеки всех элементов фотоники для кремниевой литографии отработаны для производственного цикла. Как и методика их интеграции с КМОП-логикой системы на чипе.

Где в первую очередь будет применяться это решение? Конечно же, в суперкомпьютерных системах и датацентрах облачных вычислений. Там, где вычислительная мощность электронных схем больше всего нуждается в обмене данными со скоростью света.

Однако можно быть уверенным, что экспансия кремниевой фотоники в потребительскую вычислительную технику не за горами. Начнётся всё с интерфейсов подключения периферии, а там, глядишь, и шины для мультиядерных решений подтянутся, превратив скучный кремний внутри наших процессоров в сверкающий всеми цветами спектра магический кристалл.

18 сентября текущего года компания Intel совместно с Калифорнийским университетом (University of California, Santa Barbara) продемонстрировала первый в мире гибридный кремниевый лазер с электрической накачкой, который объединяет в себе возможности излучения и распространения света по кремниевому волноводу, а также использует преимущества низкой стоимости кремниевого производства. Создание гибридного кремниевого лазера - это очередной шаг на пути к получению кремниевых чипов, содержащих десятки и даже сотни дешевых лазеров, которые в будущем составят основу компьютерной электроники.

История кремниевой фотоники

В научно-исследовательской работе корпорации Intel одним из главных направлений является кремниевая фотоника. Очередным прорывом компании в этой области стало создание первого в мире гибридного кремниевого лазера с электрической накачкой.

Теперь фактически открыт путь для создания оптических усилителей, лазеров и преобразователей длины волны света с использованием хорошо отработанной технологии производства кремниевых микросхем. Постепенно «силиконизация» фотоники становится реальностью и в будущем даст возможность создавать недорогие высокопроизводительные оптические цепи, позволяющие осуществлять обмен данными как внутри, так и снаружи ПК.

Оптические системы связи имеют определенные преимущества по сравнению с традиционными кабельными системами, главным из которых является их огромная пропускная способность. К примеру, используемые сегодня оптические волокна в системах связи могут одновременно передавать до 128 различных потоков данных. Теоретический предел скорости передачи данных по оптоволокну оценивается в 100 трлн бит в секунду. Для того чтобы представить эту громадную цифру, приведем простое сравнение: такой пропускной способности вполне достаточно, чтобы обеспечить передачу телефонных переговоров одновременно всех жителей планеты. Поэтому вполне понятно, что оптические системы связи привлекают к себе пристальное внимание всех научно-исследовательских лабораторий.

Для передачи информации с использованием светового излучения необходимо иметь несколько обязательных компонентов: источники излучения (лазеры), модуляторы световых волн, посредством которых в световую волну закладывается информация, детекторы и оптоволокно для передачи данных.

С помощью нескольких лазеров, излучающих волны различной длины, и модуляторов можно посредством одного оптоволокна передавать одновременно множество потоков данных. На приемной стороне для обработки информации используются оптический демультиплексор, выделяющий из пришедшего сигнала несущие с различной длиной волны, и оптические детекторы, позволяющие преобразовать оптические сигналы в электрические. Структурная схема оптической системы связи показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема оптической системы связи

Исследования в области оптических систем связи и оптических цепей начались еще в 1970-х годах - тогда оптические цепи представлялись как некий оптический процессор или супероптический чип, в котором воедино интегрировались и передающее устройство, и модулятор, и усилитель, и детектор, и все необходимые электронные компоненты. Однако практической реализации этой идеи мешало то обстоятельство, что компоненты оптических цепей изготавливались из разных материалов, поэтому интегрировать в единую платформу (чип) на основе кремния все необходимые компоненты было невозможно. Несмотря на триумф кремния в области электроники, его применение в оптике казалось весьма сомнительным.

Изучение возможности использования кремния для оптических цепей ведется на протяжении уже многих лет - со второй половины 1980-х годов. Однако особого прогресса за это время достигнуто не было. По сравнению с другими материалами попытки применения кремния для построения оптических цепей не приносили ожидаемых результатов.

Дело в том, что из-за особенностей структуры запрещенной зоны кристаллической решетки кремния рекомбинация зарядов в нем приводит в основном к тепловыделению, а не к излучению фотонов, что не позволяет применять его для создания полупроводниковых лазеров, являющихся источниками когерентного излучения. В то же время в таких полупроводниках, как арсенид галлия или фосфид индия, энергия рекомбинации высвобождается главным образом в виде инфракрасных фотонов, следовательно, эти материалы могут служить источниками фотонов и использоваться для создания лазеров.

Другая причина, препятствующая применению кремния в качестве материала для создания оптических цепей, заключается в том, что кремний не обладает линейным электрооптическим эффектом Поккельса, на основе которого построены традиционные быстрые оптические модуляторы. Эффект Поккельса заключается в изменении коэффициента преломления света в кристалле под воздействием приложенного электрического поля. Именно за счет этого эффекта можно осуществлять модуляцию света, поскольку изменение коэффициента преломления вещества соответствующим образом приводит к изменению фазы проходящего излучения.

Эффект Поккельса проявляется только у пьезоэлектриков и за счет малой инертности теоретически позволяет осуществлять модуляцию света вплоть до частоты 10 ТГц. Кроме того, вследствие линейной зависимости между показателем преломления и напряженностью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики.

Другие оптические модуляторы основаны на таких эффектах, как электропоглощение (electro-absorption) или электропреломление (electro-refrection) света под воздействием приложенного электрического поля, однако и эти эффекты в кремнии выражены слабо.

Модуляция света в кремнии может быть получена на основе термоэффекта. То есть при изменении температуры кремния меняются его коэффициент преломления и коэффициент поглощения света. Тем не менее из-за наличия гистерезиса такие модуляторы довольно инертны и не позволяют получать скорость модуляции выше нескольких килогерц.

Другой способ модуляции излучения на основе кремниевых модуляторов основан на эффекте поглощения света на свободных носителях (дырках или электронах). Этот способ модуляции также не позволяет получить высоких скоростей, поскольку связан с физическим движением зарядов внутри кремниевого модулятора, что само по себе является инерт-ным процессом. В то же время стоит отметить, что кремниевые модуляторы на основе описанного эффекта теоретически могут поддерживать скорость модуляции вплоть до 1 ГГц, однако на практике пока реализованы модуляторы лишь со скоростью до 20 МГц.

При всех сложностях использования кремния в качестве материала для оптических цепей в последнее время в этом направлении наметились существенные сдвиги. Как выяснилось, легирование кремния эрбием (Er) изменяет структуру запрещенной зоны таким образом, что рекомбинация зарядов сопровождается излучением фотонов, то есть появляется возможность использовать кремний для получения полупроводниковых лазеров. Первый коммерческий лазер на основе легированного кремния был создан компанией ST Micro-elect-ronics. Перспективным также является применение полупроводниковых перестраиваемых лазеров, продемонстрированных компанией Intel еще в 2002 году. Такие лазеры используют в качестве резонатора интерферометр Фабри-Перо и излучают на нескольких частотах (многомодовый режим). Для выделения монохроматического излучения служат специальные внешние фильтры на основе дифракционных решеток (дисперсионные фильтры) - рис. 2.

Рис. 2. Перестраиваемые лазеры с фильтрами
на основе дисперсионных решеток

Получаемая система лазера с внешним дисперсионным резонатором позволяет перестраивать длину волны излучения. Традиционно для получения требуемой длины волны используется прецизионная настройка фильтров относительно резонатора.

В корпорации Intel смогли создать перестраиваемый лазер, в котором вообще отсутствуют подвижные части. Он состоит из недорогого многомодового лазера с решеткой, внедренной внутрь волновода. Изменяя температуру решетки, можно настраиваться на определенную длину волны, то есть осуществлять переключение между отдельными модами лазера.

Кремниевые оптические модуляторы

В феврале 2004 года компания Intel сделала очередной прорыв в области кремниевой фотоники, продемонстрировав первый в мире кремниевый оптический фазовый модулятор на частоте 1 ГГц.

Этот модулятор основан на эффекте рассеивания света на свободных носителях заряда и по своей структуре во многом напоминает CMOS-транзистор на основе технологии SOI (кремний на изоляторе). Структура оптического фазового модулятора показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема оптического кремниевого фазового модулятора

На подложке кристаллического кремния со слоем изолятора (диоксида кремния) располагается слой кристаллического кремния n -типа. Далее следует слой диоксида кремния, в центре которого располагается слой поликристаллического кремния p -типа, который выполняет функцию волновода. Этот слой отделен от кристаллического кремния n -типа тончайшим слоем изолятора (диэлектрик затвора), толщина которого составляет всего 120 ангстрем. Для того чтобы минимизировать рассеивание света за счет контакта с металлом, металлические контакты отделены от слоя оксида кремния тонким слоем поликристаллического кремния с обеих сторон от волновода.

Когда к управляющему электроду прилагается положительное напряжение, по обеим сторонам диэлектрика затвора индуцируется заряд, причем со стороны волновода (поликристаллический кремний p -типа) это дырки, а со стороны кремния n -типа - свободные электроны.

В присутствии свободных зарядов в кремнии изменяется коэффициент преломления кремния. Изменение коэффициента преломления вызывает, в свою очередь, фазовый сдвиг проходящей световой волны.

Рассмотренный выше модулятор позволяет производить именно фазовую модуляцию опорного сигнала. Для того чтобы превратить фазовую модуляцию в амплитудную (сигнал, модулированный по фазе, трудно детектировать в отсутствие опорного сигнала), в оптическом модуляторе дополнительно используется интерферометр Маха-Зендера (MZI), имеющий два плеча, в каждом из которых интегрирован фазовый оптический модулятор (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема оптического модулятора

Применение фазовых оптических модуляторов в обоих плечах интерферометра позволяет обеспечить равенство оптических длин плечей интерферометров.

Опорная световая волна, распространяющаяся по оптоволокну, разделяется с помощью Y-разветвителя на две когерентные волны, каждая из которых распространяется по одному из плечей интерферометра. Если в точке соединения плечей интерферометра обе волны синфазны, то в результате сложения этих волн получится та же волна (потерями в данном случае пренебрегаем), что и до интерферометра (конструктивная интерференция). Если же волны складываются в противофазе (деструктивная интерференция), то результирующий сигнал будет иметь нулевую амплитуду.

Такой подход позволяет осуществлять амплитудную модуляцию несущего сигнала - прикладывая напряжение к одному из фазовых модуляторов, фазу волны в одном из плечей интерферометра меняют на n или не меняют вовсе, обеспечивая тем самым условие для деструктивной или конструктивной интерференции. Таким образом, прикладывая напряжение к фазовому модулятору с частотой f , можно осуществлять амплитудную модуляцию сигнала с той же самой частотой f .

Как уже отмечалось, кремниевый оптический модулятор компании Intel, продемонстрированный в феврале 2004 года, был способен модулировать излучение на скорости 1 ГГц. Впоследствии, в апреле 2005 года, компания Intel продемонстрировала модулятор, функционирующий уже на частоте 10 ГГц.

Кремниевый лазер непрерывного действия на эффекте Рамана

В феврале 2005 года компания Intel объявила об очередном технологическом прорыве - создании кремниевого лазера непрерывного действия на эффекте Рамана.

Эффект Рамана используется уже достаточно давно и находит широкое применение для создания усилителей света и лазеров на основе оптического волокна.

Принцип действия подобных устройств за-ключается в следующем. Лазерное излучение (излучение накачки) с длиной волны заводится в оптическое волокно (рис. 5). В оптическом волокне фотоны поглощаются атомами кристаллической решетки, которые в результате начинают «раскачиваться» (образуются колебательные фононы), а кроме того, образуются фотоны с меньшей энергией. То есть поглощение каждого фотона с длиной волны l=1,55 mm приводит к образованию фонона и фотона с длиной волны l=1,63 mm .

Рис. 5. Принцип действия усилителя света за счет эффекта Рамана

Теперь представим, что существует также модулированное излучение, которое заводится в то же самое волокно, что и излучение накачки, и приводит к индуцированному излучению фотонов. В результате излучение накачки в таком волокне постепенно преобразуется в сигнальное, модулированное, усиленное излучение, то есть достигается эффект оптического усиления (рис. 6).

Рис. 6. Использование эффекта Рамана для усиления
модулированного излучения в оптическом волокне

Проблема, однако, заключается в том, что для подобного преобразования пучка накачки в сигнальное излучение и соответственно усиления сигнального излучения требуется, чтобы и сигнальное излучение, и излучение накачки прошли по оптоволокну несколько километров. Безусловно, схемы усиления на основе многокилометрового оптоволокна нельзя назвать простыми и дешевыми, вследствие чего применение их существенно ограничено.

В отличие от стекла, которое составляет основу оптоволокна, эффект Рамана в кремнии выражен в 10 тыс. раз сильнее, и для достижения того же результата, что и в оптоволокне, достаточно, чтобы излучение накачки и сигнальное излучение распространялись вместе всего на расстояние в несколько сантиметров. Таким образом, использование эффекта Рамана в кремнии позволяет создавать миниатюрные и дешевые усилители света или оптические лазеры.

Процесс создания кремниевого оптического усилителя, или лазера на эффекте Рамана, начинается с создания оптического кремниевого волновода. Этот технологический процесс ничем не отличается от процесса создания традиционных CMOS-микросхем с применением кремниевых подложек, что, конечно же, является огромным преимуществом, поскольку значительно удешевляет сам процесс производства.

Излучение, заводимое в такой кремниевый волновод, проходит всего несколько сантиметров, после чего (вследствие эффекта Рамана) полностью преобразуется в сигнальное излучение с большей длиной волны.

В ходе экспериментов выяснилось, что мощность излучения накачки целесообразно увеличивать только до определенного предела, поскольку дальнейшее увеличение мощности приводит не к усилению сигнального излучения, а, наоборот, к его ослаблению. Причиной этого эффекта является так называемое двухфотонное поглощение, смысл которого заключается в следующем. Кремний - оптически прозрачное вещество для инфракрасного излучения, поскольку энергия фотонов инфракрасного излучения меньше ширины запрещенной зоны кремния и ее не хватает для перевода атомов кремния в возбужденное состояние с высвобождением электрона. Однако если плотность фотонов велика, то может возникнуть ситуация, когда одновременно два фотона сталкиваются с атомом кремния. В этом случае их суммарной энергии достаточно для перевода атома с высвобождением электрона, то есть атом переходит в возбужденное состояние с поглощением одновременно двух фотонов. Такой процесс называется двухфотонным поглощением.

Свободные электроны, образующиеся в результате двухфотонного поглощения, в свою очередь, поглощают как излучение накачки, так и сигнальное излучение, что приводит к сильному ослаблению эффекта оптического усиления. Соответственно чем выше мощность излучения накачки, тем сильнее проявляется эффект двухфотонного поглощения и поглощения излучения на свободных электронах. Негативное последствие двухфотонного поглощения света длительное время не позволяло создать кремниевый лазер непрерывного действия.

В кремниевом лазере, созданном в лаборатории Intel, впервые удалось избежать эффекта двухфотонного поглощения излучения, точнее не самого явления двухфотонного поглощения, а его негативного последствия - поглощения излучения на образующихся свободных электронах. Кремниевый лазер представляет собой так называемую PIN-структуру (P-type - Intrinsic - N-type) (рис. 7). В такой структуре кремниевый волновод встраивается внутрь полупроводниковой структуры с P- и N-областью. Такая структура подобна схеме планарного транзистора со стоком и истоком, а вместо затвора интегрируется кремниевый волновод. Сам кремниевый волновод образуется как прямоугольная в поперечном сечении область кремния (коэффициент преломления 3,6), окруженная оболочкой из оксида кремния (коэффициент преломления 1,5). Благодаря такой разнице в коэффициентах преломления кристаллического кремния и оксида кремния удается сформировать оптический волновод и избежать потерь излучения за счет поперченного распространения.

Рис. 7. PIN-cтруктура кремниевого лазера непрерывного действия

Используя такую волновую структуру и лазер накачки мощностью в доли ватта, удается создать излучение в волноводе с плотностью порядка 25 MВт/см 2 , что даже больше плотности излучения, которую можно получить с помощью мощных полупроводниковых лазеров. Рамановское усиление при такой плотности излучения не слишком велико (порядка нескольких децибел на сантиметр), однако этой плотности вполне достаточно для реализации лазера.

Для того чтобы устранить негативное последствие поглощения излучения на свободных электронах, образующихся в волноводе в результате двухфотонного поглощения, кремниевый волновод размещается между двумя затворами. Если между этими затворами создать разность потенциалов, то под воздействием электрического поля свободные электроны и дырки будут «вытягиваться» из кремниевого волновода, устраняя тем самым негативные последствия двухфотонного поглощения.

Для того чтобы на базе данной PIN-структуры сформировать лазер, необходимо в торцы волновода добавить два зеркала, одно из которых должно быть полупрозрачным (рис. 8).

Рис. 8. Схема кремниевого лазера непрерывного действия

Гибридный кремниевый лазер

Кремниевый лазер непрерывного действия на основе эффекта Рамана в основе своей предполагает наличие внешнего источника излучения, которое используется в качестве излучения накачки. В этом смысле данный лазер не решает одну из главных задач кремниевой фотоники - возможности интегрировать все конструктивные блоки (источники излучения, фильтры, модуляторы, демодуляторы, волноводы и т.д.) в единый кремниевый чип.

Более того, использование внешних источников оптического излучения (расположенных вне чипа или даже на его поверхности) требует очень высокой точности юстировки лазера относительно кремниевого волновода, поскольку разъюстировка в несколько микрон может привести к неработоспособности всего уст-ройства (рис. 9). Требование прецизионной юстировки не позволяет вывести данный класс устройств на массовый рынок и делает их достаточно дорогими. Поэтому выравнивание кремниевого лазера относительно кремниевого волновода является одной из важнейших задач кремниевой фотоники.

Рис. 9. При использовании внешних лазеров требуется прецизионная юстировка лазера
и волновода

Данная задача может быть решена в случае, если лазер и волновод создаются в одном кристалле в рамках одного технологического процесса. Именно поэтому создание гибридного кремниевого лазера можно рассматривать как выход кремниевой фотоники на новой уровень.

Принцип действия такого гибридного лазера довольно прост и основан на излучающих свойствах фосфида индия (InP) и способности кремния проводить свет.

Структура гибридного лазера показана на рис. 10. Фосфид индия, выполняющий функцию активного вещества полупроводникового лазера, расположен непо-средственно над кремниевым волноводом и отделен от него тончайшим слоем диэлектрика (его толщина составляет всего 25 атомных слоев) - оксида кремния, который является «прозрачным» для генерируемого излучения. При приложении напряжения между электродами возникает поток электронов по направлению от отрицательных электродов к положительному. В результате через кристаллическую структуру фосфида индия проходит электрический ток. При прохождении электрического тока через фосфид индия в результате процесса рекомбинации дырок и электронов возникают фотоны, то есть излучение. Это излучение непосредственно попадает в кремниевый волновод.

Рис. 10. Структура гибридного кремниевого лазера

Описанная структура кремниевого лазера не требует дополнительной юстировки лазера относительно кремниевого волновода, поскольку их взаимное расположение друг относительно друга реализуется и контролируется непосредственно в ходе формирования монолитной структуры гибридного лазера.

Процесс производства такого гибридного лазера разбит на несколько основных этапов. Первоначально в «бутерброде», состоящем из слоя кремния, слоя изолятора (оксид кремния) и еще одного слоя кремния, путем травления формируется волноводная структура (рис. 11), причем данный технологический этап производства не отличается от тех процессов, которые используются в ходе производства микросхем.

Рис. 11. Формирование волноводной структуры в кремнии

Далее, на поверхности волновода необходимо сформировать кристаллическую структуру фосфида индия. Вместо того чтобы использовать технологически сложный процесс выращивания кристаллической структуры фосфида индия на уже сформированной структуре волновода, подложку из фосфида индия вместе со слоем полупроводника n -типа формируют отдельно, что значительно проще и дешевле. Задача заключается в том, чтобы соединить фосфид индия со структурой волновода.

Для этого и структуру кремниевых волноводов, и подложку фосфида индия подвергают процессу окисления в низкотемпературной кислородной плазме. В результате такого окисления на поверхности обоих материалов создается пленка оксида толщиной всего 25 атомных слоев (рис. 12).

Рис. 12. Подложка фосфида индия
с сформированным слоем оксида

При нагревании и прижимании друг к другу двух материалов слой оксида выполняет функции прозрачного клея, обеспечивая их сплавление в единый кристалл (рис. 13).

Рис. 13. «Склеивание» структуры кремниевых волноводов
с подложкой фосфида индия

Именно из-за того, что кремниевый лазер описанной конструкции состоит из двух склеенных друг с другом материалов, его и называют гибридным. После процесса склеивания путем травления удаляют лишнюю часть фосфида индия и формируют металлические контакты.

Технологический процесс производства гибридных кремниевых лазеров позволяет размещать на одной микросхеме десятки и даже сотни лазеров (рис. 14).

Рис. 14. Схема чипа, содержащего четыре
гибридных кремниевых лазера

Первый чип, продемонстрированный компанией Intel совместно с Калифорнийским университетом, содержал в себе семь гибридных кремниевых лазеров (рис. 15).

Рис. 15. Излучение семи гибридных кремниевых лазеров,
выполненных на одном чипе

Эти гибридные лазеры функционируют на длине волны 1577 нм при пороговом токе 65 мA с мощностью излучения до 1,8 мВт.

В настоящее время гибридный кремниевый лазер работоспособен при температуре менее 40 °С, однако в будущем рабочую температуру планируется повысить до 70 °С, а значение порогового тока уменьшить до 20 мА.

Будущее кремниевой фотоники

Создание гибридного кремниевого лазера может иметь далеко идущие последствия для кремниевой фотоники и послужить отправной точкой для наступления эры высокопроизводительных вычислений.

В недалеком будущем в чип будут интегрироваться десятки кремниевых лазеров, модуляторов и мультиплексор, что позволит создавать оптические каналы связи с терабитной пропускной способностью (рис. 16).

Рис. 16. Микросхема оптического канала связи,
содержащая в себе десятки кремниевых лазеров,
фильтры, модуляторы и мультиплексор

«Благодаря этой разработке мы сможем создавать недорогие оптические шины данных с терабитной пропускной способностью для компьютеров будущего. Тем самым мы сможем приблизить наступление новой эры высокопроизводительных вычислений, - отметил Марио Паниччиа (Mario Paniccia), директор лаборатории Photonics Technology Lab в корпорации Intel. - Несмотря на то что до начала коммерческого использования этой технологии еще очень далеко, мы уверены, что на одной кремниевой микросхеме можно будет разместить десятки и даже сотни гибридных кремниевых лазеров, а также других компонентов на базе кремниевой фотоники».

Фотоника – это физическое учение о генерации света (фотонов), его обнаружении, преобразовании, эмиссии, передаче, модуляции, обработке сигналов, переключении, усилении и индикации. Большинство применений задействовано в области видимого и инфракрасного излучения, хотя сфера применения распространяется на всю область спектра.

Перспективной областью исследований является кремниевая фотоника, и дальнейшее развитие отрасли связано с ростом успехов этого направления.

История

Фотоника выделилась с созданием в 1960 году лазера. За этим изобретением последовали: лазерный диод в 1970-х годах, для передачи данных, и оптический усилитель на волокне, легированном эрбием. Эти изобретения создали основу для телекоммуникационной революции в конце 20-го века и обеспечили создание инфраструктуры Интернета.

Широкое распространение термин получил в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей освоили передачу данных по оптоволокну, способствовала его распространению фирма Bell Laboratories. Использование слова закрепилось, когда Общество лазеров и электронной оптики Института инженеров электротехники и электроники учредило в конце 1980-х годов журнал Photonics Technology Letters.

В течение периода, приведшего к краху доткомов (интернет-компаний) около 2001 года, к сфере фотоники относились в основном оптические сети связи. К настоящему времени она объемлет огромное количество научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, технику отображения информации и оптические вычисления.

Фотоника, связь с прочими областями

Классическая оптика

Здесь связь очень тесная. Классическая оптика предшествовала открытию, что свет дискретен, что стало совершенно ясно, когда Альберт Эйнштейн триумфально обосновал в 1905 году природу фотоэлектрического эффекта. К оптическим инструментам относятся преломляющие линзы, отражающие зеркала, и многочисленные оптические компоненты, и инструменты, разработанные с 15-го по 19-й века. Выявленные в 17 веке основополагающие принципы классической оптики, наподобие принципа Гюйгенса, и выписанные в 19 веке уравнения Максвелла, и волновые уравнения, не основываются на квантовых свойствах света.

Современная оптика

Эта область науки связана с оптомеханикой, электрооптикой, оптоэлектроникой и квантовой электроникой. Однако, каждой области свойственны свои особенности, свои научные сообщества и место на рынке.

К квантовой оптике обычно относят проведение фундаментальных исследований, а фотоника это прикладные исследования и разработки:

• Изучение свойств частиц света.
• Создание устройств обработки сигнала с использованием фотонов.
• Практические приложения оптики.
• Создание устройств, аналогичных электронным.

Термин «оптоэлектроника» приложим к устройствам или схемам, которым одновременно свойственны электрические и оптические функции, т.е. к тонкопленочным полупроводниковым устройствам. Ранее использовался термин «электрооптика», и к электрооптике относились нелинейные устройства с электрооптическими взаимодействиями, как, например, модуляторы на объемных кристаллах (ячейки Поккельса), а также перспективные датчики изображения, обычно используемые гражданскими или правительственными организациями для наблюдения.

Вновь возникающие области

Фотоника тесно связана с возникающими квантовой информатикой и квантовой оптикой, в той части, где они используют общие методы. Прочие вновь возникающие направления включают оптомеханику, занимающуюся изучением влияния на свет механических вибраций мезоскопических или макроскопических объектов, и создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для служб хранения времени, навигации и метрологии. Отличие поляритоники заключается в том, что фундаментальными носителями информации являются поляритоны (смеси фотонов и фононов), работающие в диапазоне частот от 300 Ггц до примерно 10 ТГц.

Обзор исследований

Фотоника занимается исследованиями эмиссии, передачи, усиления, обнаружения и модуляции света.

Источники света

Источники света в фотонике обычно устроены конструктивно посложнее . Используются , суперлюминесцентные диоды и лазеры, а также однофотонные источники, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны. При этом электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и дисплеи генерируют свой собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (подобные TTF-экранам), требуют фоновой подсветки от с холодным катодом или, гораздо чаще, светодиодов.

Для полупроводниковых источников света характерно то, что взамен классических полупроводников (кремния и германия) чаще используются интерметаллиды. Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия и алюминия (AlGaAs), либо иные составные полупроводники. Эти материалы также используются в соединении с кремнием для изготовления гибридных кремниевых лазеров.

Среда передачи данных

Свет может проходить через любую прозрачную среду. Для направления света по нужному пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптоволокно. В системах оптической связи оптоволокно позволяет передавать данные на расстояния свыше 100 км без усиления, в зависимости от скорости цифрового потока и вида применяемой для передачи модуляции. Очень перспективным направлением исследования является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами — фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов.

Усилители

Для усиления оптических сигналов используются оптические усилители. В оптических линиях связи используются легированные эрбием оптоволоконные усилители, полупроводниковые оптические усилители, усилители на эффекте Рамана и оптические параметрические усилители. Очень перспективной областью является исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей.

Обнаружение (детектирование)

Фотодетекторы предназначены для обнаружения света, к ним относятся устройства разной степени быстродействия: быстродействующие фотодиоды, среднескоростные приборы с зарядовой связью, инертные , применяемые для преобразования световой энергии Солнца в электрическую. Существует также и множество фотодетекторов, основанных на термических, химических, квантовых, фотоэлектрических и прочих эффектах.

Модуляция

Модуляция источников света используется для кодирования информации, передаваемой источниками света. Одним из самых простых примеров прямой модуляции источника света является включение и выключение фонарика для передачи сообщения кодом Морзе. Возможно и управление источником света посредством внешнего оптического модулятора.

Дополнительной областью исследований является вид модуляции. В оптической коммуникации обычно применяемым видом модуляции является переключение по типу «включено-выключено». В последние годы разработаны более совершенные виды модуляции наподобие фазового сдвига или ортогонального уплотнения каналов с частотным разделением для нейтрализации ухудшающих качество передачи сигнала эффектов наподобие дисперсии.

Фотонные системы

Наука занимается также исследованиями фотонных приборов для применения в системах оптической связи. Данная область исследований фокусируется на внедрении фотонных устройств, подобных высокоскоростным фотонным сетям, и объемлет исследования оптических регенераторов, улучшающих качество оптических сигналов.

Фотонные интегральные схемы

К областям микрофотоники и нанофотоники обычно относятся устройства на фотонных кристаллах и твердотельные устройства.

Фотонные интегральные схемы – это оптические активные интегральные полупроводниковые фотонные приборы, состоящие по меньшей мере из двух различных функциональных блоков (области усиления и лазерных зеркал на основе решетки). Эти устройства с улучшенными характеристиками ответственны за коммерческий успех оптической связи и возможность увеличения доступной ширины полосы без существенного увеличения стоимости связи для конечного потребителя. Наиболее часто применяются фотонные интегральные схемы на основе фосфида индия.

Применения

Фотоника стала вездесущей и проникла во все области повседневной жизни. Совершенно так же, как изобретение в 1948 году транзистора существенно расширило приложения электроники, продолжают развиваться уникальные приложения отрасли, которые фактически безграничны.

К экономически важным приложениям полупроводниковых фотонных приборов относятся:

• Запись и обработка оптических данных.
• Отображение информации.
• Оптическая накачка мощных лазеров.
• Телекоммуникации: связь посредством оптоволокна, оптические конверторы с понижением частоты.
• Вычисления посредством фотонных компьютеров: распределение синхросигналов и коммуникация между компьютерами, печатными платами, или в пределах оптоэлектронных интегральных схем.
• Бытовая аппаратура.
• Освещение.
• Основанная на ксерографии лазерная печать.
• Сканеры штрих-кодов, принтеры.
• CD/DVD/Blu-Ray устройства.
• Устройства дистанционного управления.
• Медицина: мониторинг здоровья, диагностика, коррекция слабого зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировки.
• Промышленность: использование лазера для сварки, сверления отверстий, резки и обработки поверхностей различными методами.
• Робототехника.
• Сельское хозяйство.
• Химический синтез.
• Термоядерная энергетика.
• Строительство: лазерное нивелирование, лазерные дальномеры, интеллектуальные конструкции.
• Авиация: фотонные гироскопы без подвижных деталей.
• Военная техника: системы лазерной обороны, ИК-датчики, управление, навигация, поисково-спасательные операции.
• Метрология: измерение времени, частоты и расстояний.
• спектроскопия.
• Залегание и обнаружение пластов в шахтах.
• Индустрия развлечений: лазерные шоу, голографическое искусство.
• В будущем: квантовые вычисления.

Не исключено, что когда-нибудь средствами кремниевой фотоники весь огромный ЦОД можно будет превратить в единый гипермасштабируемый компьютер , а если принять во внимание достигнутые к тому времени успехи в области искусственного интеллекта , то несложно представить себе нечто наподобие Океана на Солярисе, описанного Станиславом Лемом . Пока же нынешние серверы и ЦОДы по своему состоянию напоминают ПК в их бытность до появления SATA и USB : внутри - нескладные ленточные кабели, снаружи - последовательные и параллельные порты для мыши, клавиатуры и колонок. Но уже в 2025 году картина станет иной: все будет унифицировано и подключено по оптоволокну, что обеспечит качественно иной подход к целому ряду задач, в частности, к масштабированию и высокопроизводительным вычислениям. И все это станет возможным благодаря достижениям в области кремниевой фотоники.

Кремниевой фотоникой называют синергию двух групп технологий - электроники и оптики, которая позволяет принципиально изменить систему передачи данных на расстояниях от миллиметров до тысяч километров. По значимости результат внедрения кремниевой фотоники сравнивают с изобретением полупроводников, потому что ее внедрение позволяет еще на много лет вперед сохранить действие закона Мура , составляющего базис развития информационных и коммуникационных технологий.

Тем, кому интересны фундаментальные основы этого направления, можно порекомендовать вышедшую в 2017 году научно-популярную книгу «Кремниевая фотоника - источник следующей информационной революции» (Daryl Inniss, Roy Rubenstein "Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution"). Более серьезные введения в кремниевую фотонику - книга «Silicon Photonics III: Systems and Applications» группы авторов и «Silicon Photonics: An Introduction» (Graham T. Reed, Andrew P. Knights). Также на эту тему есть несколько полезных материалов на сайте компании Mellanox .

Как это работает

Если же ограничиться практическими приложениями к компьютингу, то, как и в случае с электроникой, оптику и физику твердого тела можно оставить в стороне. Для понимания на системотехническом уровне достаточно самых поверхностных сведений о предмете. Казалось бы все очевидно: последовательность электрических сигналов преобразуется передатчиком T в последовательность оптических сигналов. По кабелю она попадает в приемник R, который возвращает им электрическую форму. В качестве источников света могут использоваться несколько типов лазеров, а для передачи одно- или мультимодальные кабели.

Но не стоит забывать о научной и инженерной сложности проблем, возникающих при реализации принципов кремниевой фотоники. О ней можно судить хотя бы по тому, что первые экспериментальные работы в этом направлении датируются еще серединой 80-х годов ХХ века, попытки коммерческих разработок были сделаны в начале 2000-х годов, а первые коммерческие результаты были получены только после 2016 года. Сорок лет... При том, что практическое использование оптоволоконной связи началось в середине шестидесятых, а экспериментальные работы - намного раньше.

Суть проблемы материалов на основе кремния заключается в невозможности работать на тех же частотах, которые используются в волоконной оптике, а использовать альтернативные материалы практически невозможно по экономическим причинам. В существующие технологии полупроводникового производства вложены колоссальные средства. Для реализации принципов кремниевой фотоники их нужно адаптировать к существующим технологиям. Решением может быть включение в состав микросхем миниатюрных приемников и передатчиков и прокладка между ними соответствующих волноводов. Это сложнейшая инженерно-техническая задача, которая по состоянию на 2017 год решена.

Раньше других это удалось сделать Intel - корпорация уже предложила свои продукты рынку. Вскоре следует ожидать объявлений от IBM , за ними последуют Mellanox , Broadcom , Ciena , Juniper и ряд других крупных компаний. Параллельно скупаются добившиеся успеха стартапы. Процесс пошел, но не быстро. Трудности вызваны тем, что создание новых продуктов требует значительных средств и времени, что дает преимущества крупнейшим вендорам.

Четыре уровня коммуникаций

Технологии кремниевой фотоники уже сегодня позволяют создавать 100 Гбит Ethernet , а в обозримом будущем 400 Гбит и 1 Тбит. Такие скорости обмена данными открывают возможности для конвергенции современных архитектур в качественно новые - на уровне стойки RSA (Rack-Scale Architecture) и на уровне ЦОДа ESSA (Extended-scale system architecture). Предел первой ограничен так называемым подом (одной или несколькими стойками), вторая охватывает весь ЦОД. Компоненты этих инфраструктур связываются удаленно по шине PCIe (PCIe-bus interconnects at a distance).

Средствами силиконовой фотоники создается иерархическая система коммуникаций, разделенная на 4 уровня:

Уровень 1 «Чип» : Внедрение технологий кремниевой фотоники внутрь чипа интересно по нескольким соображениям:

• Чипов существенно больше, чем стоек, следовательно, потребность в приемниках и передатчиках велика, и эти технологии будут быстро развиваться.
• Существенно повысятся скорости обмена вне чипа, поэтому могут заметно измениться принципы системного проектирования.
• В отдаленной перспективе можно представить, что и между компонентами чипа могут использоваться оптические коммуникации, например для обмена между ядрами. Но на таких коротких расстояниях медь надолго сохранит свои позиции.