Silikonová fotonika. IBM představuje hybridní čip: křemíková fotonika v akci. Médium pro přenos dat

Přišlo jaro... A s ním přichází čas na další Intel Developer Forum (IDF), které se koná dvakrát ročně ve slunné Kalifornii a pravidelně navštěvuje další města po celém světě (nověji v Rusku). Jaro navíc v tomto případě nepřišlo jen tak na slovo - v San Franciscu, kde se IDF opět odehrává od 1. do 3. března v obrovském kongresovém centru Moscone West,

Teď je opravdu teplo, stromy a keře kvetou a vydávají vůně jara a místní chodí po ulicích v košilích nebo lehkých bundách, pokud neprší. V této veselé kulisě, po odletu ze zasněžené Moskvy, by nebylo tak snadné sedět celý den v konferenčních místnostech a tiskových místnostech a tlačit se mezi několika tisíci návštěvníky a organizátory IDF na výstavních vitrínách a na okraji. Nebýt někdy jedinečných a vzrušujících informací, které na vás padají v obrovských porcích a nezanechávají ani chvilku klidu. Dokonce i já, pravidelný návštěvník centrálních Intel Fór (ale i mnoha dalších výstav a konferencí na podobná témata), který se zdá být otrávený podobnými akcemi a vnímám je téměř jako další hollywoodský trhák, dobře udělaný podle dlouho známých klišé, často musí být překvapeni proudem nových produktů, které jeho organizátoři pro účastníky IDF připravili. Nechat se překvapit a místy i obdivovat...

Pravděpodobně není třeba našim pravidelným čtenářům vysvětlovat, co je Intel Developer Forum a „čím to žerou“. Tato akce, již řadu let pravidelně pořádá společnost Intel Corporation a její nejbližší přátelé v IT dílně, má své individuální charakteristiky, které ji odlišují od různých počítačových výstav (jako CeBIT, Computex, Comdex nebo CES, kde stovky a tisíce výrobců IT produktů chlubit se svými úspěchy, aby je mohli výhodněji prodávat) a z významných světových vědeckých a technických konferencí (jako Material Research Society Meeting, IEEE a dalších podobných, kde stovky předních světových ústavů a ​​výzkumných laboratoří informují o nejnovějších vědeckých poznatcích). objevy, vynálezy a technologie, jejichž implementace bude studována ještě mnoho let). Podle mého názoru má IDF stále blíž k tomu druhému než k prvnímu. Vzhledem k tomu, že společnost Intel, která ročně utrácí více než 4 miliardy dolarů na výzkum a vývoj, se v IDF snaží demonstrovat méně aktuální a na trh připravené produkty (mikroprocesory, platformy atd.),

jak moc sdělit odvětví vektor, ve kterém se bude v následujících letech vyvíjet. Zveřejnit ty současné a budoucí technologie, které společnost zavádí společně se svými partnery a dalšími IT vývojáři, přilákat nové výzkumníky a inženýry (tj. „vývojáři“, podle názvu fóra) a případně diskutovat o proveditelnosti určitých kroků v rámci celé IT komunity. A i když je samozřejmě do jisté míry přítomen i nástin „výstavy a prodeje“ na IDF, nejcennější a nejzajímavější je podle mého názoru jeho výzkumná a technologická část.

„Nultý“ den aktuálního IDF, který proběhl 28. února pro přední tisk a analytiky z celého světa, tedy přinesl několik překvapení, o kterých se pokusím hovořit v této zprávě, která předchází příběhu o Fóru sám.

Silikonová nanotechnologie: Pohled na 20 let dopředu

První zero-day zpráva pojednávala o způsobech, kterými se křemíková technologie pro výrobu výpočetních zařízení může a bude vyvíjet v nadcházejících desetiletích. Stručně a primitivně by se to dalo nazvat „ospravedlněním Moorova zákona na 20 let do budoucna“, kdyby na první pohled banální premisa nebyla podpořena dechberoucími detaily vědeckého výzkumu v oblasti nanotechnologií a jejich zavádění do praxe. v průmyslových technologiích. Zprávu představil Paulo Gargini (na obrázku), ředitel Intel Technology Strategy a Intel Nanotechnology Research.

Více než hodinová prezentace probíhala ve velmi rychlém tempu a nedovolila nikomu ani na vteřinu se vzpamatovat a v klidu reflektovat ten či onen snímek. Jeho podrobné převyprávění by zřejmě bylo užitečné pro některé z našich přemýšlivých čtenářů. Zabralo by to ale neúměrně mnoho místa (jedná se asi o stovku „seriózních“ snímků, ke každému z nich je ještě potřeba přidat spoustu komentářů). Proto uvedu pouze některé z nejzajímavějších, podle mého názoru, bodů, zejména proto, že některé podrobnosti, které jsou v něm obsaženy, jsem již popsal já a moji kolegové v našich článcích na základě výsledků předchozích IDF a nedávných „technologických průlomů“. “ společnosti Intel. Podrobněji tento materiál představím snad jindy.

Za posledních 40 let se počet prvků na křemíkových čipech neustále zdvojnásoboval každé dva roky a stejným tempem klesaly náklady na jeden tranzistor na čipu.

Asi před 10 lety vědci předpovídali velké problémy při přechodu na 100nanometrová zařízení, ale naštěstí se tak nestalo a nyní mají lídři v oboru dobře prostudované vyhlídky na vývoj tradiční křemíkové technologie s planárními tranzistory CMOS pro dalších 10 let (viz. snímek).

Potřeba zásadně nových elektronických zařízení vyvstane až do roku 2013, kdy budou možnosti miniaturizace současných zařízení skutečně vyčerpány.

Mezi zvažovanými novými křemíkovými zařízeními jsou multi-hradlové (například tri-gate) nanotranzistory, zařízení na bázi křemíkových nanotrubic zcela obklopených hradlem a také zařízení s kvazibalistickým transportem.

V dlouhodobějším horizontu se uvažuje i o uhlíkových nanotrubičkách o průměru několika nanometrů, které mohou podle své struktury působit jako kov nebo polovodič. Pro nanoelektroniku jsou zajímavá zařízení na bázi InSb heterostruktur (s unikátně vysokou mobilitou), viz snímek.

Co se ale stane po roce 2020, kdy technologie CMOS vyčerpá své miniaturizační schopnosti a dosáhne atomového limitu?

Pak možná vstoupí do hry spintronika – operující s magnetickými momenty elementárních částic:

Někteří lidé také mluví o kvantových počítačích. V současnosti je technologie CMOS naživu a Moorův zákon zůstane v platnosti minimálně dalších 15-20 let.

Silikonová fotonika: nový průlom

Další zajímavou událostí z 0. dne tohoto IDF byla zpráva o , vytvořená na křemíkovém čipu v Intelu. Přísně vzato se zpráva o tom rozšířila do světa pár dní před IDF (17. února vyšel odpovídající článek v Nature a tisková zpráva korporace), ale zde hlavní vývojáři nového zařízení veřejně sdíleli mnohé dosavadní neznámé detaily a předvedl publiku četné krystaly s takovými lasery. Například na této fotografii (foto autor) krystal obsahuje 8 takových laserů najednou.

Aniž bychom zacházeli do podrobností, poznamenáváme, že aby bylo možné vytvořit takový laser na křemíku, museli vědci společnosti Intel vyřešit důležitý problém - takzvanou „dvoufotonovou absorpci“, která dříve bránila vytvoření kontinuálního laseru na křemíku.

Využití křemíku jako materiálu pro vytvoření laseru a pro mnohonásobné zesílení IR záření (díky gigantickému, přibližně 20 000násobku Ramanova efektu),

Dříve to bylo problematické, protože Ramanův zisk byl saturován při silném čerpání a výkon získaný během saturace nestačil k vytvoření kontinuálního laseru.

Faktem je, že energie jednoho infračerveného fotonu (kvanta světla) nestačí na to, aby z něj při srážce s atomem krystalové mřížky křemíku vyrazil (uvolnil) elektron. Pokud se však dva fotony srazí s atomem najednou (což se často stává, když je laser intenzivně čerpán vnějším zářením), pak je možná ionizace atomu a volné elektrony v křemíku začnou samotné fotony absorbovat, čímž zabrání dalšímu Ramanovu zesílení. . Problém byl vyřešen vytvořením tzv. p-i-n struktury podél optického kanálu (oblasti křemíku s děrovou, resp. elektronovou vodivostí na stranách nedopovaného optického kanálu v křemíku, viz obrázek).

Aplikací elektrického předpětí mezi p- a n-oblastmi křemíku mohou být „dvoufotonové“ volné elektrony účinně odstraněny z oblasti optického kanálu, čímž se výrazně zvýší Ramanův zisk v křemíku a vytvoří se kontinuální vlnový laser.

Na základě tohoto řešení je možné přímo na jediném křemíkovém krystalu vytvořit dvě důležitá optická zařízení - zesilovač a modulátor signálu.

A také pomocí kaskád zrcadel (umístěných přímo na křemíku) k vytvoření vícevlnových optických komunikačních kanálů a kompaktních laserů pro různé aplikace.

V rukou Maria Paniccia, ředitele Intel Photonic Technology Lab, je krystal nového kontinuálního křemíkového laseru (vpravo) a tradičního drahého Ramanova optického zesilovače (vlevo):

Tento úspěch zaměstnanců Intelu otevírá nové obzory pro vývoj křemíkové fotoniky a její další implementaci v tradiční mikroelektronice.

Fotonická logika zatím nenahradí polovodičovou logiku, ale už ji lze použít pro přenos dat. Jak mezi zařízeními, tak mezi jádry procesoru.

Při pohledu na nedávné oznámení nových hardwarových produktů od Applu by se chtělo říci, že nové technologie jsou jako tropická zeleň: včera tu byl malý zakrnělý výhonek, ale dnes už existuje mocná liána, která zapustila hluboké kořeny a pevně se chopila tržní kmen výpočetní techniky s jejími výhonky.

Vzhled prvních Maců s rozhraním Thunderbolt byl přivítán se zvědavostí, ale nic víc. Svého času se trh také podíval na neobvyklý port FireWire v laptopech Apple PowerBook 3G.

Následné zařazení Thunderboltu v kombinaci s Display Portem do téměř veškeré výpočetní techniky Apple donutilo výrobce periferií vážně přemýšlet o podpoře této technologie. Naštěstí nový řadič vyvinutý společností Intel současně podporuje Thunderclap i specifikaci USB 3.0. A pokud je s nejnovějším rozhraním vše jasné, pak je Thunderbolt plný záhad. Kteří?

No, například ze seriálu "What is in your name?" Ostatně Thunderbolt je tržní název pro výzkumnou technologii Intel Light Peak, kde klíčové slovo je světlo. Těch deset gigabitů za sekundu, které Thunderbolt nyní nabízí spotřebitelům a přenáší data po měděných drátech na vzdálenost až tři metry, jsou skutečně květy ve srovnání s padesáti gigabity za sekundu, které Light Peak poskytuje přes optický kabel na sto metrů.

Vzhled optické verze Thunderboltu je otázkou blízké budoucnosti. Budoucnost, ve které spolu s mikroelektronikou, na kterou jsme zvyklí, začne zpracovávat data i „královna světla“ – fotonika.

O tom, jak Intel využívá fotoniku ve své technologii vysokorychlostní výměny dat Silicon Photonics Link, si můžete přečíst v článku „Stahování za sekundu: pokroky v křemíkové fotonice“.

Řešení křemíkové fotoniky Intel poskytne šířku pásma rozhraní počítače a periferie padesát gigabitů za sekundu

Je čas podívat se na součásti systémů na bázi křemíkové fotoniky podrobněji. Systémy, protože řešení Intel zdaleka nejsou jediná. A hlavně, dnes už to nejsou jen laboratorní cvičení. Silicon photonics získala všechny potřebné schopnosti a je zcela připravena plodně spolupracovat se stávajícími mikroelektronickými řešeními.

Příkladem takové spolupráce je hrdina aktuálního materiálu – projekt IBM příznačně nazvaný SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

Fotonika. Technologické cihly

Může fotonika zcela nahradit elektroniku v mikroobvodech? Asi ne. Šíření světla je založeno na zákonech optiky, což klade značná omezení na konstrukci základních součástek, jako jsou tranzistory, kondenzátory a diody. Ne, pokusy o vývoj optických analogů tranzistoru byly učiněny již dávno a ani dnes neustávají. Nemohou ale konkurovat osvědčené technologii CMOS.

Fotonický tranzistorový obvod byl navržen již v osmdesátých letech minulého století

Kde fotonika skutečně vyniká, je implementace vysokorychlostních spojení mezi součástmi digitálních obvodů. Tedy v těch místech, kde elektronika začíná klouzat stále aktivněji. Zvýšení stupně integrace součástí mikroobvodu ovlivňuje velikost kovových vodičů, které je spojují. S přechodem na výrobní proces CMOS o velikosti 22 nanometrů se inženýři potýkali s problémem přechodných jevů v miniaturních měděných přípojnicích. Tyto jevy mohou snadno vést k chybám v činnosti složitého výpočetního systému těsně zabaleného do křemíkového čipu.

Použití fotoniky jako komunikačního média pro mikroobvody umožňuje technologům současně zbavit nové čipy vlivu přechodných procesů v měděných vodičích a výrazně snížit zahřívání mikroobvodu. Na rozdíl od elektronů, které neproduktivně přeměňují svou energii na teplo, fotony pohybující se po optickém vodiči teplo vůbec neodvádějí.

Kompromisním řešením je tedy kombinace elektroniky a fotoniky. Elektronika si zachovává základ digitálních obvodů a fotonika přebírá roli univerzálního vodivého média.

Co je potřeba pro takové prostředí? Za prvé, zdrojem fotonů je laser. Další je vodivé prostředí, kterým se mohou fotony šířit uvnitř mikroobvodů – vlnovody. Aby se nuly a jedničky tvořené elektronickými součástkami proměnily ve světelný tok a aby došlo k inverzní konverzi, budou potřeba modulátory a demodulátory, ale samozřejmě ne jednoduché, ale optické.

Abychom dosáhli vysoké propustnosti, kterou kanály současných integrovaných obvodů vyžadují, budou zapotřebí multiplexory a demultiplexory (samozřejmě také optické). Navíc všechny tyto komponenty musí být implementovány na stejné křemíkové bázi, která se používá pro technologii CMOS.

Vývoj těchto „stavebních kamenů“ je cestou, kterou křemíková fotonika prošla posledních dvacet let. Během této doby bylo navrženo mnoho unikátních řešení, které byly samotným „souhrnem technologií“, které umožnily fotonice posunout se na kvalitativně novou úroveň. Úroveň integrovaných opticko-elektronických obvodů.

Silikonové lasery

Ve skutečnosti je fráze „křemíkový laser“ oxymoron. Jako takzvaný polovodič s nepřímou mezerou je křemík zcela neschopný vyzařovat světlo. To je důvod, proč telekomunikace s optickými vlákny používají řešení založená na jiných (přímých mezerových) polovodičích, jako je arsenid galia. Křemík je zároveň vynikající pro vytváření vlnovodů a detekci optických signálů na signály elektrické.

Tak co je za problém? Můžete použít laser vně křemíkového obvodu nebo vyvinout hybridní obvod na bázi křemíku a například arsenidu galia. Ani jedno řešení však nelze považovat za účinné. V případě použití externího laseru (a v moderních makroúrovňových optických systémech se tak děje) na mikroúrovni je téměř nemožné přesně kalibrovat paprsek ve vztahu k vlnovodu o velikosti nanometrů. Zařazení arsenidu galia do výrobního procesu CMOS čipů selhalo. Tyto dva polovodiče vyžadují velmi odlišné výrobní podmínky.

Takže křemíkový laser nikdy neuvidí (nebo spíše emituje) světlo? Samozřejmě že ne. Křemík lze rozzářit pomocí různých triků. Například dopování materiálem, který bude emitovat fotony za křemíkem. Nebo změnit strukturu samotného křemíku tak, že bude nucen se rozsvítit. Třetím způsobem je použití Ramanova rozptylu (také nazývaného Ramanův rozptyl), který dočasně přemění křemík na polovodič s téměř přímou mezerou.

Jedním ze způsobů, jak rozzářit křemík, je vytvořit porézní křemíkovou strukturu

Schéma a mikrofotografie Ramanova laseru

V současnosti dosáhli vědci největších úspěchů v oblasti technologií křemíkového dopingu. Nejznámější implementací na nich založeného kontinuálního křemíkového laseru je laser vyvinutý společností Intel ve spolupráci s University of California v Santa Barbaře. Vědcům se podařilo „přilepit“ polovodičový fosfid india s přímou mezerou na křemíkový vlnovod pomocí oxidu. Tloušťka „lepidla“ je pouze 25 atomů. Tím, že vytvořili potenciálový rozdíl mezi křemíkem a fosfidem india (říká se tomu „elektrické čerpání“), dosáhli vzniku fotonů, které pronikají přes „lepidlo“ do křemíkového vlnovodu.

Schéma kontinuálního hybridního křemíkového laseru

Na základě tohoto schématu jsou vytvořeny varianty hybridního křemíkového laseru s různými vlnovými délkami (infračervený rozsah, transparentní pro křemík), což umožňuje realizovat vícekanálový komunikační systém.

Silikonové modulátory

Proud fotonů emitovaných křemíkovým laserem lze považovat za nosnou frekvenci, kterou je třeba modulovat binárním signálem.

Optické modulátory byly považovány za nemožné, dokud se vědci nerozhodli využít fenomén interference světla. Obecně lze modulovaný optický signál získat interferencí referenčního paprsku světla a paprsku procházejícího materiálem, který vlivem elektrického proudu mění index lomu (tzv. elektrooptický efekt). Bohužel i zde nás křemík zklamal - jeho symetrická krystalová mřížka neumožňuje realizovat elektrooptický efekt. Na pomoc opět přišel doping.

Vědci rozdvojili křemíkový vlnovod a na jednom z jeho ramen vytvořili vrstvu nitridu křemíku, která natáhla křemíkovou krystalovou mřížku. Přivedení napětí na tento úsek vede k lomu světla v tomto rameni vlnovodu. V druhém rameni se přitom stejný tok šíří bez zkreslení.

Mikrofotografie řezu ramenem lomu světla v modulátoru Mach-Zehnder

Realizace celého modulátoru Mach-Zehnder a jeho variant.

Kombinace těchto toků na výstupu má za následek jejich interferenci a výstupní tok bude modulován aplikací napětí na rameno vlnovodu z nitridu křemíku. Vědci nemuseli znovu vynalézat kolo. Podobný efekt je široce používán v Mach-Zehnderových interferometrech. Proto byly křemíkové modulátory a demodulátory pojmenovány úplně stejně.

Silikonové multiplexory

Vícenásobné modulované světelné proudy z více laserů s různými vlnovými délkami mohou výrazně zvýšit propustnost komunikačního kanálu paralelizací přenosu dat. Ale jak lze těchto mnoho vláken spojit do jednoho? Navíc tak, že výsledný celkový průtok na výstupu lze opět rozdělit. Zde přicházejí na pomoc multiplexery. Optické, samozřejmě.

Myšlenka optického multiplexeru založeného na poli vlnovodů (AWG)

Mikrofotografie AWG multiplexeru

Optický multiplexer založený na kaskádě Mach-Zehnder modulátorů

V současné době byla navržena technologie pro mikrominiaturní multiplexování světla pomocí jeho spektrálního multiplexování (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Nejčastěji se k jeho realizaci používá difrakční struktura založená na poli vlnovodů a zrcadel (AWG - Arrayed Waveguide Grating), ve které se každý světelný paprsek pohybuje po vlastním vlnovodu, zakřiveném v souladu se svou vlnovou délkou. Když se tyto vlnovody spojí, dávají výsledný spektrálně hustý tok. Dalším běžným řešením je použití kaskády nám již známých modulátorů Mach-Zehnder.

IBM SNIPER. Křemíkový terabit

Řešení v oblasti křemíkové fotoniky navržená společností Intel jsou zaměřena na pokrok v oblasti fotonických technologií v oblasti rozhraní periferních zařízení. Bezprostřední komerční perspektivou je padesátigigabitová optická verze rozhraní Thunderbolt (možná v době průmyslové implementace se tomu bude říkat jinak). V dlouhodobějším horizontu Intel uvažuje o zvýšení propustnosti na dvě stě gigabitů za vteřinu. Říci, že je rychlý, neznamená nic: například obsah disku DVD touto rychlostí lze přenést za jednu sekundu.

Laboratoř IBM Research si dala přesně stejný cíl. Nastavil jsem to a dosáhl jsem toho! Pravda, IBM plánuje využít svůj terabit nikoli v komunikačních rozhraních, ale ve vysokorychlostních sběrnicích spojujících jádra vícejádrového procesoru.

Mezijaderná komunikace založená na křemíkové fotonice

Nápad projektu SNIPER od IBM Research (fotonická část obvodu je zobrazena modře)

Projekt SNIPER je praktickou implementací myšlenky nanofotoniky, pomocí „stavebních bloků“ diskutovaných výše k vytvoření fotonické komunikační sítě. Tato fotonická síť je integrována na vícevrstvém koláči systému na čipu, který obsahuje multiprocesorový modul a modul RAM. S výstupy ven zajišťuje taková síť připojení tohoto systému na čipu k vysokorychlostní optické datové sběrnici spojující procesor s periferií. Vnitřní vedení vlnovodu zajišťuje směrování dat mezi jádry procesorového modulu.

Šestikanálový fotonický modul projektu SNIPER

Projekt SNIPER se v současné době může pochlubit implementací šestikanálového fotonického modulu transceiveru využívajícího hybridní křemíkové lasery, modulátory Mach-Zehnder a multiplexor vlnovodu. Propustnost každého kanálu tohoto transceiveru je dvacet gigabitů za sekundu. Padesát z těchto kanálů je implementováno na substrátu o velikosti 25 milimetrů čtverečních, což poskytuje stejný terabit propustnosti.

Fotonický čip Project SNIPER poskytující terabitovou propustnost

A co je nejdůležitější, SNIPER již není výzkumný projekt. Pro výrobní cyklus byly testovány knihovny všech fotonických prvků pro křemíkovou litografii. Stejně jako technika jejich integrace s logikou CMOS systému na čipu.

Kde se toto řešení uplatní jako první? Samozřejmě v superpočítačových systémech a datových centrech cloud computingu. Tam, kde je výpočetní výkon elektronických obvodů nejvíce potřeba, je výměna dat rychlostí světla.

Můžeme si však být jisti, že rozšíření křemíkové fotoniky do spotřebitelských počítačů není daleko. Vše začne rozhraními pro připojení periferií a pak, ejhle, doženou je sběrnice pro vícejádrová řešení, které promění nudný křemík uvnitř našich procesorů v magický krystal jiskřící všemi barvami spektra.

18. září tohoto roku Intel společně s Kalifornskou univerzitou v Santa Barbaře předvedl první hybridní elektricky čerpaný křemíkový laser na světě, který kombinuje schopnosti emise a šíření světla podél křemíkového vlnovodu a navíc využívá výhod nízké náklady na výrobu křemíku. Vytvoření hybridního křemíkového laseru je dalším krokem k získání křemíkových čipů obsahujících desítky až stovky levných laserů, které budou v budoucnu tvořit základ počítačové elektroniky.

Historie křemíkové fotoniky

Jednou z hlavních oblastí výzkumu a vývoje společnosti Intel je křemíková fotonika. Dalším průlomem společnosti v této oblasti bylo vytvoření prvního elektricky čerpaného hybridního křemíkového laseru na světě.

Nyní je efektivně otevřena cesta k vytvoření optických zesilovačů, laserů a konvertorů vlnových délek světla pomocí dobře zavedené technologie výroby křemíkových čipů. Postupně se „silikonizace“ fotoniky stává realitou a v budoucnu umožní vytvářet levné, vysoce výkonné optické obvody, které umožňují výměnu dat uvnitř i vně PC.

Optické komunikační systémy mají oproti tradičním kabelovým systémům určité výhody, z nichž hlavní je jejich obrovská šířka pásma. Například optická vlákna používaná v dnešních komunikačních systémech mohou současně přenášet až 128 různých datových toků. Teoretický limit pro rychlost přenosu dat přes optické vlákno se odhaduje na 100 bilionů bitů za sekundu. Abychom si toto obrovské číslo představili, uveďme jednoduché srovnání: tato šířka pásma je dostačující k zajištění přenosu telefonních hovorů současně všem obyvatelům planety. Je proto pochopitelné, že optické komunikační systémy přitahují velkou pozornost všech výzkumných laboratoří.

Pro přenos informací pomocí světelného záření je nutné mít několik povinných komponent: zdroje záření (lasery), modulátory světelných vln, přes které se informace zabudovává do světelné vlny, detektory a optické vlákno pro přenos dat.

Pomocí více laserů emitujících různé vlnové délky a modulátorů lze současně přenášet více datových toků přes jediné optické vlákno. Na přijímací straně se ke zpracování informací používá optický demultiplexor, který od příchozího signálu odděluje nosiče s různou vlnovou délkou, a optické detektory, které umožňují převádět optické signály na elektrické. Blokové schéma optického komunikačního systému je na Obr. 1.

Rýže. 1. Blokové schéma optického komunikačního systému

Výzkum v oblasti optických komunikačních systémů a optických obvodů začal již v 70. letech 20. století – tehdy byly optické obvody představovány jako druh optického procesoru nebo superoptického čipu, ve kterém je vysílací zařízení, modulátor, zesilovač, detektor a byla integrována veškerá nezbytná elektronika. Praktickou realizaci této myšlenky však ztěžoval fakt, že součásti optických obvodů byly vyrobeny z různých materiálů, a tak bylo nemožné integrovat všechny potřebné součástky do jediné platformy (čipu) na bázi křemíku. Přes triumf křemíku na poli elektroniky se jeho použití v optice zdálo velmi pochybné.

Možnost využití křemíku pro optické obvody je studována řadu let - od druhé poloviny 80. let. Během této doby však bylo dosaženo malého pokroku. Ve srovnání s jinými materiály nepřinesly pokusy o použití křemíku pro stavbu optických obvodů očekávané výsledky.

Faktem je, že kvůli zvláštnostem struktury zakázaného pásu krystalové mřížky křemíku vede rekombinace nábojů v ní hlavně k uvolňování tepla a nikoli k emisi fotonů, což neumožňuje její použití k vytvořit polovodičové lasery, které jsou zdroji koherentního záření. Zároveň se v polovodičích, jako je arsenid galia nebo fosfid india, uvolňuje rekombinantní energie převážně ve formě infračervených fotonů, proto mohou tyto materiály sloužit jako zdroje fotonů a využít je k tvorbě laserů.

Dalším důvodem, který brání použití křemíku jako materiálu pro vytváření optických obvodů, je to, že křemík nemá lineární elektrooptický Pockelsův efekt, na jehož základě jsou postaveny tradiční rychlé optické modulátory. Pockelsův jev zahrnuje změnu indexu lomu světla v krystalu pod vlivem aplikovaného elektrického pole. Díky tomuto efektu může být světlo modulováno, protože změna indexu lomu látky vede odpovídajícím způsobem ke změně fáze procházejícího záření.

Pockelsův efekt se projevuje pouze u piezoelektriky a díky své nízké inertnosti teoreticky umožňuje modulaci světla až do frekvence 10 THz. Navíc v důsledku lineárního vztahu mezi indexem lomu a intenzitou elektrického pole jsou nelineární zkreslení během modulace světla relativně malé.

Jiné optické modulátory jsou založeny na efektech, jako je elektroabsorpce nebo elektroodraz světla pod vlivem aplikovaného elektrického pole, ale tyto efekty jsou slabě vyjádřeny v křemíku.

Modulace světla v křemíku lze dosáhnout na základě tepelného efektu. To znamená, že když se změní teplota křemíku, změní se jeho index lomu a koeficient absorpce světla. Avšak kvůli přítomnosti hystereze jsou takové modulátory spíše inertní a neumožňují získat modulační rychlost vyšší než několik kilohertzů.

Další způsob modulace záření na bázi křemíkových modulátorů je založen na vlivu absorpce světla na volné nosiče (díry nebo elektrony). Tento způsob modulace také neumožňuje dosažení vysokých rychlostí, protože je spojen s fyzickým pohybem nábojů uvnitř křemíkového modulátoru, což je samo o sobě inertní proces. Zároveň je vhodné poznamenat, že křemíkové modulátory založené na popsaném efektu mohou teoreticky podporovat modulační rychlosti až 1 GHz, ale v praxi byly modulátory zatím implementovány pouze s rychlostmi do 20 MHz.

Přes všechny obtíže při použití křemíku jako materiálu pro optické obvody došlo v poslední době v tomto směru k výraznému pokroku. Jak se ukázalo, dopování křemíku erbiem (Er) mění strukturu zakázaného pásu tak, že rekombinace náboje je doprovázena emisí fotonů, to znamená, že je možné použít křemík k výrobě polovodičových laserů. První komerční laser na bázi dopovaného křemíku vytvořila společnost ST Micro-electronics. Slibné je také použití laditelných polovodičových laserů, které Intel předvedl již v roce 2002. Takové lasery používají Fabry-Perotův interferometr jako rezonátor a emitují na několika frekvencích (multi-mode). K izolaci monochromatického záření se používají speciální externí filtry na bázi difrakčních mřížek (disperzní filtry) - Obr. 2.

Rýže. 2. Laditelné lasery s filtry
na bázi disperzních mřížek

Výsledný laserový systém s externím disperzním rezonátorem umožňuje ladit vlnovou délku záření. Tradičně se pro získání požadované vlnové délky používá přesné ladění filtrů vzhledem k rezonátoru.

Intel dokázal vytvořit laditelný laser bez jakýchkoliv pohyblivých částí. Skládá se z levného multimódového laseru s mřížkou zapuštěnou uvnitř vlnovodu. Změnou teploty mřížky se můžete naladit na konkrétní vlnovou délku, tedy přepínat mezi jednotlivými režimy laseru.

Silikonové optické modulátory

V únoru 2004 Intel učinil další průlom na poli křemíkové fotoniky, když předvedl první křemíkový optický fázový modulátor na světě na 1 GHz.

Tento modulátor je založen na efektu rozptylu světla na volných nosičích náboje a svou strukturou je v mnohém podobný CMOS tranzistoru založenému na technologii SOI (silicon on insulator). Struktura optického fázového modulátoru je znázorněna na Obr. 3.

Rýže. 3. Blokové schéma optického křemíkového fázového modulátoru

Vrstva krystalického křemíku je umístěna na krystalickém křemíkovém substrátu s izolační vrstvou (oxid křemičitý) n-typ. Následuje vrstva oxidu křemičitého, v jejímž středu je vrstva polykrystalického křemíku p-typ, který plní funkci vlnovodu. Tato vrstva se oddělí od krystalického křemíku n-typ s nejtenčí vrstvou izolantu (hradlového dielektrika), jehož tloušťka je pouze 120 angstromů. Aby se minimalizoval rozptyl světla v důsledku kovového kontaktu, jsou kovové kontakty odděleny od vrstvy oxidu křemíku tenkou vrstvou polykrystalického křemíku na obou stranách vlnovodu.

Když se na řídicí elektrodu přivede kladné napětí, indukuje se náboj na obou stranách dielektrika hradla a na straně vlnovodu (polykrystalický křemík p-typ) jsou to otvory a na straně křemíku n-typ - volné elektrony.

V přítomnosti volných nábojů v křemíku se index lomu křemíku mění. Změna indexu lomu zase způsobí fázový posun procházející světelné vlny.

Výše diskutovaný modulátor umožňuje fázovou modulaci referenčního signálu. Aby se fázová modulace změnila na amplitudu (fázově modulovaný signál je obtížné detekovat při absenci referenčního signálu), optický modulátor navíc používá Mach-Zehnderův interferometr (MZI), který má dvě ramena, z nichž každé je integrován fázový optický modulátor (obr. 4).

Rýže. 4. Blokové schéma optického modulátoru

Použití fázových optických modulátorů v obou ramenech interferometru umožňuje zajistit rovnost optických délek ramen interferometru.

Referenční světelná vlna šířící se podél optického vlákna je rozdělena Y-splitterem na dvě koherentní vlny, z nichž každá se šíří podél jednoho z ramen interferometru. Pokud jsou v místě spojení ramen interferometru obě vlny ve fázi, pak v důsledku sčítání těchto vln vznikne stejná vlna (ztráty v tomto případě zanedbáváme) jako před interferometrem (konstruktivní interference) . Pokud se vlny sčítají v protifázi (destruktivní interference), pak bude mít výsledný signál nulovou amplitudu.

Tento přístup umožňuje amplitudovou modulaci nosného signálu - přivedením napětí na jeden z fázových modulátorů se fáze vlny v jednom z ramen interferometru změní na n nebo se nemění vůbec, čímž jsou vytvořeny podmínky pro destruktivní nebo konstruktivní zásahy. Tedy přivedení napětí na fázový modulátor s frekvencí F, je možné amplitudově modulovat signál se stejnou frekvencí F.

Jak bylo uvedeno, křemíkový optický modulátor Intel, představený v únoru 2004, byl schopen modulovat světlo na 1 GHz. Následně v dubnu 2005 Intel předvedl modulátor pracující na frekvenci 10 GHz.

Silikonový laser s kontinuální vlnou založený na Ramanově jevu

V únoru 2005 Intel oznámil další technologický průlom – vytvoření kontinuálního křemíkového laseru založeného na Ramanově efektu.

Ramanův efekt se používá již poměrně dlouho a je široce používán pro vytváření zesilovačů světla a laserů na bázi optického vlákna.

Princip fungování takových zařízení je následující. Laserové záření (záření pumpy) o vlnové délce je zavedeno do optického vlákna (obr. 5). V optickém vláknu jsou fotony pohlcovány atomy krystalové mřížky, které se v důsledku toho začnou „houpat“ (vznikají vibrační fonony) a navíc vznikají fotony s nižší energií. Tedy absorpce každého fotonu s vlnovou délkou l=1,55 mm vede ke vzniku fononu a fotonu s vlnovou délkou l=1,63 mm.

Rýže. 5. Princip činnosti zesilovače světla díky Ramanovu jevu

Nyní si představte, že existuje také modulované záření, které je přiváděno do stejného vlákna jako záření pumpy a vede ke stimulované emisi fotonů. V důsledku toho se záření pumpy v takovém vláknu postupně přeměňuje na signální, modulované, zesílené záření, to znamená, že je dosaženo efektu optického zesílení (obr. 6).

Rýže. 6. Použití Ramanova efektu pro zesílení
modulované záření v optickém vláknu

Problém je však v tom, že taková přeměna paprsku pumpy na signálové záření a tedy zesílení signálového záření vyžaduje, aby jak signální záření, tak záření pumpy procházelo po optickém vláknu několik kilometrů. Zesilovací obvody založené na mnoha kilometrech optického vlákna samozřejmě nelze nazvat jednoduchými a levnými, v důsledku čehož je jejich použití výrazně omezeno.

Na rozdíl od skla, které tvoří základ optického vlákna, je Ramanův jev u křemíku 10 tisíckrát silnější a k dosažení stejného výsledku jako u optického vlákna stačí, aby se záření pumpy a záření signálu společně šířily na vzdálenost jen pár centimetrů. Využití Ramanova efektu v křemíku tedy umožňuje vytvářet miniaturní a levné zesilovače světla nebo optické lasery.

Proces vytváření křemíkového optického zesilovače neboli Ramanova laseru začíná vytvořením optického křemíkového vlnovodu. Tento technologický proces se nijak neliší od procesu vytváření tradičních CMOS čipů pomocí křemíkových substrátů, což je samozřejmě obrovská výhoda, protože výrazně snižuje náklady na samotný výrobní proces.

Záření zavedené do takového křemíkového vlnovodu urazí jen pár centimetrů, načež se (vlivem Ramanova jevu) zcela přemění na signální záření s delší vlnovou délkou.

Během experimentů se ukázalo, že je vhodné zvyšovat vyzařovací výkon čerpadla pouze do určité meze, neboť další zvyšování výkonu nevede ke zvýšení vyzařování signálu, ale naopak k jeho zeslabení. Důvodem tohoto efektu je tzv. dvoufotonová absorpce, jejíž význam je následující. Křemík je opticky transparentní látka pro infračervené záření, protože energie infračervených fotonů je menší než zakázané pásmo křemíku a nestačí k převedení atomů křemíku do excitovaného stavu s uvolněním elektronu. Pokud je však hustota fotonů vysoká, pak může nastat situace, kdy se dva fotony současně srazí s atomem křemíku. V tomto případě je jejich celková energie dostatečná k přenosu atomu s uvolněním elektronu, to znamená, že atom přejde do excitovaného stavu s absorpcí dvou fotonů současně. Tento proces se nazývá dvoufotonová absorpce.

Volné elektrony produkované dvoufotonovou absorpcí zase absorbují jak záření pumpy, tak záření signálu, což má za následek silné snížení efektu optického zesílení. V souladu s tím, čím vyšší je výkon záření čerpadla, tím silnější je účinek dvoufotonové absorpce a absorpce záření volnými elektrony. Negativní důsledek dvoufotonové absorpce světla zabránil na dlouhou dobu vytvoření kontinuálního křemíkového laseru.

V křemíkovém laseru vytvořeném v laboratoři Intel se poprvé podařilo vyhnout efektu dvoufotonové absorpce záření, respektive nikoli samotnému fenoménu dvoufotonové absorpce, ale jeho negativnímu důsledku – absorpci záření na vzniklé volné elektrony. Křemíkový laser je tzv. PIN struktura (P-type - Intrinsic - N-type) (obr. 7). V této struktuře je křemíkový vlnovod uložen uvnitř polovodičové struktury s P- a N-oblastí. Tato struktura je podobná planárnímu tranzistorovému obvodu s kolektorem a zdrojem a místo hradla je integrován křemíkový vlnovod. Vlastní křemíkový vlnovod je vytvořen jako obdélníková oblast průřezu křemíku (index lomu 3,6), obklopená obalem z oxidu křemíku (index lomu 1,5). Díky tomuto rozdílu v indexech lomu krystalického křemíku a oxidu křemíku je možné vytvořit optický vlnovod a vyhnout se ztrátám záření v důsledku příčného šíření.

Rýže. 7. PIN struktura kontinuálního křemíkového laseru

Pomocí takové vlnové struktury a čerpacího laseru o výkonu zlomku wattu je možné vytvořit záření ve vlnovodu o hustotě řádově 25 MW/cm 2, která je dokonce vyšší než hustota záření, která lze získat pomocí vysoce výkonných polovodičových laserů. Ramanův zisk při této hustotě záření není příliš vysoký (řádově několik decibelů na centimetr), ale tato hustota je pro implementaci laseru zcela dostačující.

Aby se eliminoval negativní vliv absorpce záření volnými elektrony generovanými ve vlnovodu v důsledku dvoufotonové absorpce, je mezi dvě hradla umístěn křemíkový vlnovod. Pokud se mezi těmito hradly vytvoří potenciálový rozdíl, pak pod vlivem elektrického pole dojde k „vytažení“ volných elektronů a děr z křemíkového vlnovodu, čímž se eliminují negativní důsledky dvoufotonové absorpce.

Pro vytvoření laseru založeného na této PIN struktuře je nutné přidat na konce vlnovodu dvě zrcadla, z nichž jedno musí být průsvitné (obr. 8).

Rýže. 8. Schéma spojitého křemíkového laseru

Hybridní silikonový laser

Kontinuální vlnový křemíkový laser založený na Ramanově jevu v podstatě vyžaduje externí zdroj záření, který se používá jako pumpové záření. V tomto smyslu tento laser neřeší jeden z hlavních problémů křemíkové fotoniky – schopnost integrovat všechny strukturální bloky (zdroje záření, filtry, modulátory, demodulátory, vlnovody atd.) do jediného křemíkového čipu.

Navíc použití externích zdrojů optického záření (umístěných mimo čip nebo dokonce na jeho povrchu) vyžaduje velmi vysokou přesnost vyrovnání laseru vzhledem ke křemíkovému vlnovodu, protože nesouosost o několik mikronů může vést k nefunkčnosti celého zařízení (obr. 9). Požadavek na přesné seřízení neumožňuje uvedení této třídy zařízení na masový trh a činí je poměrně drahými. Proto je vyrovnání křemíkového laseru s ohledem na křemíkový vlnovod jedním z nejdůležitějších úkolů v křemíkové fotonice.

Rýže. 9. Při použití externích laserů je vyžadováno přesné vyrovnání laseru
a vlnovodu

Tento problém lze vyřešit, pokud jsou laser a vlnovod vytvořeny v jednom krystalu v rámci stejného technologického procesu. Proto lze vytvoření hybridního křemíkového laseru považovat za posun křemíkové fotoniky na novou úroveň.

Princip činnosti takového hybridního laseru je poměrně jednoduchý a je založen na emisních vlastnostech fosfidu india (InP) a schopnosti křemíku vést světlo.

Struktura hybridního laseru je znázorněna na Obr. 10. Fosfid india, který působí jako aktivní látka polovodičového laseru, se nachází přímo nad křemíkovým vlnovodem a je od něj oddělen tenkou vrstvou dielektrika (jeho tloušťka je pouze 25 atomových vrstev) - oxid křemíku, který je „ transparentní“ pro generované záření. Když je mezi elektrody aplikováno napětí, dochází k toku elektronů ve směru od záporných elektrod ke kladným. Výsledkem je, že krystalickou strukturou fosfidu india prochází elektrický proud. Když elektrický proud prochází fosfidem india, proces rekombinace děr a elektronů produkuje fotony, tedy záření. Toto záření přímo dopadá na křemíkový vlnovod.

Rýže. 10. Struktura hybridního křemíkového laseru

Popsaná struktura křemíkového laseru nevyžaduje dodatečné vyrovnání laseru vzhledem ke křemíkovému vlnovodu, protože jejich vzájemná relativní poloha je realizována a řízena přímo při vytváření monolitické struktury hybridního laseru.

Výrobní proces takového hybridního laseru je rozdělen do několika hlavních fází. Zpočátku se v „sendviči“, který se skládá z vrstvy křemíku, vrstvy izolantu (oxid křemíku) a další vrstvy křemíku, vytvoří vlnovodná struktura leptáním (obr. 11) a tato technologická fáze výroby se od těchto procesů neliší. které se používají při výrobě mikroobvodů

Rýže. 11. Vznik struktury vlnovodu v křemíku

Dále je nutné vytvořit na povrchu vlnovodu krystalickou strukturu fosfidu india. Místo použití technologicky složitého procesu pěstování krystalové struktury fosfidu india na již vytvořené struktuře vlnovodu, substrát fosfidu india spolu s polovodičovou vrstvou n-typ se tvoří samostatně, což je mnohem jednodušší a levnější. Úkolem je napojit fosfid india na strukturu vlnovodu.

K tomu jsou jak křemíková vlnovodná struktura, tak substrát fosfidu india podrobeny procesu oxidace v nízkoteplotní kyslíkové plazmě. V důsledku této oxidace se na povrchu obou materiálů vytvoří oxidový film o tloušťce pouhých 25 atomárních vrstev (obr. 12).

Rýže. 12. Substrát fosfidu india
s vytvořenou vrstvou oxidu

Když se dva materiály zahřejí a stlačí k sobě, vrstva oxidu působí jako průhledné lepidlo a spojí je do jediného krystalu (obr. 13).

Rýže. 13. „Slepování“ struktury křemíkových vlnovodů
s indium fosfidovou podložkou

Právě proto, že se křemíkový laser popsané konstrukce skládá ze dvou materiálů slepených k sobě, nazývá se hybridní. Po procesu lepení se přebytečný fosfid india odstraní leptáním a vytvoří se kovové kontakty.

Technologický postup výroby hybridních křemíkových laserů umožňuje umístit na jeden čip desítky až stovky laserů (obr. 14).

Rýže. 14. Schéma čipu obsahujícího čtyři
hybridní křemíkový laser

První čip, který Intel předvedl ve spolupráci s Kalifornskou univerzitou, obsahoval sedm hybridních křemíkových laserů (obr. 15).

Rýže. 15. Záření ze sedmi hybridních křemíkových laserů,
vyrobeno na jednom čipu

Tyto hybridní lasery pracují na vlnové délce 1577 nm při prahovém proudu 65 mA s výstupním výkonem až 1,8 mW.

V současné době je hybridní křemíkový laser provozuschopný při teplotách pod 40 °C, ale do budoucna se plánuje zvýšení provozní teploty na 70 °C a snížení prahového proudu na 20 mA.

Budoucnost křemíkové fotoniky

Vývoj hybridního křemíkového laseru by mohl mít dalekosáhlé důsledky pro křemíkovou fotoniku a zahájit éru vysoce výkonných počítačů.

V blízké budoucnosti budou do čipu integrovány desítky křemíkových laserů, modulátorů a multiplexeru, které umožní vytvářet optické komunikační kanály s terabitovou propustností (obr. 16).

Rýže. 16. Mikroobvod optického komunikačního kanálu,
obsahující desítky křemíkových laserů,
filtry, modulátory a multiplexery

„Díky tomuto vývoji budeme schopni vytvořit levné optické datové sběrnice s terabitovou šířkou pásma pro počítače budoucnosti. Budeme tak moci přiblížit nástup nové éry vysoce výkonných počítačů,“ řekl Mario Paniccia, ředitel Photonics Technology Lab ve společnosti Intel Corporation. "Přestože komerční využití této technologie je ještě daleko, jsme si jisti, že bude možné umístit desítky nebo dokonce stovky hybridních křemíkových laserů, stejně jako další komponenty na bázi křemíkové fotoniky, na jeden křemíkový čip."

Fotonika je fyzikální studium generování světla (fotonu), detekce, konverze, emise, přenosu, modulace, zpracování signálu, přepínání, zesílení a indikace. Většina aplikací zahrnuje viditelné a infračervené záření, ačkoli aplikace zasahují do celého spektra.

Slibnou oblastí výzkumu je křemíková fotonika a další rozvoj odvětví je spojen s rostoucí úspěšností této oblasti.

Příběh

Fotonika se objevila s vytvořením laseru v roce 1960. Tento vynález byl následován laserovou diodou v 70. letech 20. století pro přenos dat a erbiem dopovaným optickým zesilovačem. Tyto vynálezy připravily půdu pro telekomunikační revoluci konce 20. století a poskytly infrastrukturu pro internet.

Termín se rozšířil v 80. letech 20. století, kdy operátoři telekomunikačních sítí zvládli přenos dat po optickém vláknu a Bell Laboratories přispěly k jeho rozšíření. Použití tohoto slova bylo stmeleno, když Společnost pro laser a elektronovou optiku Institute of Electrical and Electronics Engineers' Society založila na konci 80. let časopis Photonics Technology Letters.

V období, které předcházelo krachu dot-com (internetu) kolem roku 2001, se obor fotoniky primárně soustředil na optické komunikační sítě. Nyní zahrnuje širokou škálu vědeckých a technologických aplikací, včetně laserové výroby, biologického a chemického snímání, lékařské diagnostiky a terapie, zobrazovací technologie a optické výpočetní techniky.

Fotonika, propojení s jinými oblastmi

Klasická optika

Spojení je zde velmi těsné. Klasická optika předcházela objevu, že světlo je diskrétní, což se jasně ukázalo, když Albert Einstein v roce 1905 triumfálně vysvětlil povahu fotoelektrického jevu. Optické přístroje zahrnují refrakční čočky, odrazná zrcadla a četné optické komponenty a nástroje vyvinuté od 15. do 19. století. Základní principy klasické optiky, jako je Huygensův princip objevený v 17. století a Maxwellovy rovnice a vlnové rovnice napsané v 19. století, nejsou založeny na kvantových vlastnostech světla.

Moderní optika

Tato vědní oblast je spojena s optomechanikou, elektrooptikou, optoelektronikou a kvantovou elektronikou. Každá oblast má však své vlastní charakteristiky, své vlastní vědecké komunity a místo na trhu.

Kvantová optika obvykle odkazuje na základní výzkum, zatímco fotonika odkazuje na aplikovaný výzkum a vývoj:

• Studium vlastností světelných částic.
• Tvorba zařízení pro zpracování signálu pomocí fotonů.
• Praktické aplikace optiky.
• Tvorba zařízení podobných elektronickým.

Termín "optoelektronika" se vztahuje na zařízení nebo obvody, které mají současně elektrické a optické funkce, tj. na tenkovrstvá polovodičová zařízení. Dříve se používal termín „elektrooptika“ a elektrooptika zahrnovala nelineární zařízení s elektro-optickými interakcemi, jako jsou modulátory objemových krystalů (Pockelsovy buňky), stejně jako pokročilé obrazové senzory, které obvykle používají civilní nebo vládní organizace pro sledování. .

Vznikající oblasti

Fotonika úzce souvisí se vznikajícími obory kvantové informační vědy a kvantové optiky do té míry, že sdílejí společné techniky. Mezi další nově vznikající oblasti patří optomechanika, která studuje, jak je světlo ovlivněno mechanickými vibracemi mezoskopických nebo makroskopických objektů, a zařízení, která kombinují fotonické a atomové vybavení pro měření času, navigaci a metrologické služby. Rozdíl mezi polaritonikou je v tom, že základními informačními nosiči jsou polaritony (směsi fotonů a fononů), pracující ve frekvenčním rozsahu od 300 GHz do cca 10 THz.

Přehled výzkumu

Fotonika je studium emise, přenosu, zesílení, detekce a modulace světla.

Zdroje světla

Světelné zdroje ve fotonice jsou obvykle strukturálně složitější. Používají se superluminiscenční diody a lasery, dále jednofotonové zdroje, katodové trubice a plazmové obrazovky. Katodové trubice, plazmové obrazovky a displeje generují své vlastní světlo, zatímco LCD (jako TTF obrazovky) vyžadují podsvícení se studenou katodou nebo častěji LED.

Pro polovodičové světelné zdroje je charakteristické, že místo klasických polovodičů (křemík a germanium) se častěji používají intermetalické sloučeniny. Příklady používaných materiálových systémů jsou arsenid galia (GaAs) a arsenid gallia a hliníku (AlGaAs) nebo jiné složené polovodiče. Tyto materiály se také používají v kombinaci s křemíkem k výrobě hybridních křemíkových laserů.

Médium pro přenos dat

Světlo může procházet jakýmkoli průhledným médiem. K nasměrování světla po požadované dráze lze použít sklolaminát nebo plastové vlákno. V optických komunikačních systémech umožňuje optické vlákno přenos dat na vzdálenost přes 100 km bez zesílení, v závislosti na digitální bitové rychlosti a typu modulace použité pro přenos. Velmi perspektivní oblastí výzkumu je vývoj a výroba speciálních struktur a materiálů se specifikovanými optickými vlastnostmi - fotonické krystaly, optické vlákno fotonického krystalu a metamateriály.

Zesilovače

Pro zesílení optických signálů se používají optické zesilovače. V optických komunikačních spojích se používají erbiem dopované vláknové zesilovače, polovodičové optické zesilovače, Ramanovy zesilovače a optické parametrické zesilovače. Velmi perspektivní oblastí je výzkum kvantových teček polovodičových optických zesilovačů.

Detekce (detekce)

Fotodetektory jsou určeny k detekci světla; zahrnují zařízení s různým stupněm výkonu: vysokorychlostní fotodiody, středněrychlá zařízení s nábojovou vazbou, inertní zařízení používaná k přeměně sluneční světelné energie na elektrickou energii. Existuje také mnoho fotodetektorů založených na tepelných, chemických, kvantových, fotoelektrických a jiných efektech.

Modulace

Modulace světelného zdroje se používá ke kódování informací přenášených světelnými zdroji. Jedním z nejjednodušších příkladů přímé modulace světelného zdroje je zapínání a vypínání svítilny pro přenos zprávy Morseovy abecedy. Světelný zdroj je také možné ovládat pomocí externího optického modulátoru.

Další oblastí výzkumu je typ modulace. V optických komunikacích je běžně používaným typem modulace zapínání a vypínání. V posledních letech byly vyvinuty pokročilejší typy modulace, jako je fázový posun nebo ortogonální multiplexování s frekvenčním dělením, aby čelily efektům degradujícím signál, jako je disperze.

Fotonické systémy

Věda se také zabývá výzkumem fotonických zařízení pro použití v optických komunikačních systémech. Tato oblast výzkumu se zaměřuje na implementaci fotonických zařízení, podobných vysokorychlostním fotonickým sítím, a zahrnuje výzkum optických regenerátorů, které zlepšují kvalitu optických signálů.

Fotonické integrované obvody

Oblasti mikrofotoniky a nanofotoniky typicky zahrnují zařízení s fotonickým krystalem a zařízení v pevné fázi.

Fotonické integrované obvody jsou opticky aktivní integrovaná polovodičová fotonická zařízení sestávající z alespoň dvou různých funkčních bloků (oblast zisku a laserová zrcadla na bázi mřížky). Tato zařízení se zvýšeným výkonem jsou zodpovědná za komerční úspěch optických komunikací a za schopnost zvýšit dostupnou šířku pásma bez výrazného zvýšení nákladů na komunikaci pro koncového spotřebitele. Nejčastěji používané fotonické integrované obvody jsou na bázi fosfidu india.

Aplikace

Fotonika se stala všudypřítomnou a pronikla do každé oblasti každodenního života. Stejně jako vynález tranzistoru v roce 1948 značně rozšířil aplikace elektroniky, jedinečné aplikace v tomto odvětví se nadále vyvíjejí a jsou prakticky neomezené.

Mezi ekonomicky důležité aplikace polovodičových fotonických zařízení patří:

• Záznam a zpracování optických dat.
• Zobrazení informací.
• Optické čerpání vysokovýkonných laserů.
• Telekomunikace: komunikace přes optické vlákno, optické downkonvertory.
• Výpočetní technika prostřednictvím fotonických počítačů: distribuce hodin a komunikace mezi počítači, deskami s plošnými spoji nebo v rámci optoelektronických integrovaných obvodů.
• Vybavení domácnosti.
• Osvětlení.
• Laserový tisk založený na xerografii.
• Čtečky čárových kódů, tiskárny.
• CD/DVD/Blu-Ray zařízení.
• Zařízení na dálkové ovládání.
• Medicína: sledování zdravotního stavu, diagnostika, korekce slabozrakosti, laserové operace, chirurgická endoskopie, odstranění tetování.
• Průmysl: Použití laseru pro svařování, vrtání, řezání a povrchovou úpravu různými metodami.
• Robotika.
• Zemědělství.
• Chemická syntéza.
• Termonukleární energie.
• Konstrukce: laserová nivelace, laserové dálkoměry, inteligentní struktury.
• Letectví: fotonické gyroskopy bez pohyblivých částí.
• Vojenská technika: laserové obranné systémy, IR senzory, řízení, navigace, pátrací a záchranné operace.
• Metrologie: měření času, frekvence a vzdáleností.
• spektroskopie.
• Výskyt a detekce slojí v dolech.
• Zábavní průmysl: laserové show, holografické umění.
• V budoucnosti: kvantové výpočty.

Je možné, že jednoho dne bude možné pomocí křemíkové fotoniky celé obrovské datové centrum proměnit v jediný hyperškálovatelný počítač, a pokud vezmeme v úvahu úspěchy, kterých bylo do té doby na poli umělé inteligence dosaženo, není těžké si něco představit jako Oceán na Solaris, popsaný Stanislavem Lemem. Současné servery a datová centra mezitím připomínají PC ve stavu před příchodem SATA a USB: uvnitř jsou nepohodlné ploché kabely, venku sériové a paralelní porty pro myš, klávesnici a reproduktory. Ale již v roce 2025 se obraz změní: vše bude sjednoceno a propojeno optickým vláknem, což poskytne kvalitativně odlišný přístup k řadě úkolů, zejména ke škálování a vysoce výkonné výpočetní technice. A to vše bude možné díky pokrokům v křemíkové fotonice.

Křemíková fotonika je synergie dvou skupin technologií – elektroniky a optiky, která umožňuje zásadně změnit systém přenosu dat na vzdálenosti od milimetrů až po tisíce kilometrů. Z hlediska významu je výsledek zavedení křemíkové fotoniky srovnáván s vynálezem polovodičů, protože jeho implementace umožňuje po mnoho let zachovat účinek Moorova zákona, který tvoří základ pro rozvoj informačních a komunikačních technologií. .

Těm, kteří se zajímají o základní principy této oblasti, můžeme doporučit populárně vědeckou knihu „Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution“ (Daryl Inniss, Roy Rubenstein „Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution“), vydanou v r. 2017. Vážnějšími úvody do křemíkové fotoniky jsou kniha „Silicon Photonics III: Systems and Applications“ od skupiny autorů a „Silicon Photonics: An Introduction“ (Graham T. Reed, Andrew P. Knights). Na webu Mellanox je k tomuto tématu také několik užitečných materiálů.

Jak to funguje

Pokud se omezíme na praktické aplikace na výpočetní techniku, pak lze stejně jako v případě elektroniky nechat stranou optiku a fyziku pevných látek. K pochopení na systémové úrovni stačí ty nejpovrchnější informace o předmětu. Zdálo by se, že vše je zřejmé: sekvence elektrických signálů je vysílačem T převedena na sekvenci optických signálů. Po kabelu putuje k přijímači R, který je vrací do elektrické podoby. Jako zdroje světla lze použít několik typů laserů a pro přenos lze použít jedno- nebo multimodální kabely.

Ale neměli bychom zapomínat na vědeckou a inženýrskou složitost problémů, které vznikají při implementaci principů křemíkové fotoniky. Lze soudit podle toho, že první experimentální práce v tomto směru se datují do poloviny 80. let dvacátého století, pokusy o komerční rozvoj byly provedeny na počátku 20. století a první komerční výsledky byly získány až po roce 2016. Čtyřicet let... Navzdory tomu, že praktické využití optických komunikací začalo v polovině šedesátých let a experimentální práce - mnohem dříve.

Jádrem problému materiálů na bázi křemíku je jejich neschopnost pracovat na stejných frekvencích, jaké se používají ve vláknové optice, a použití alternativních materiálů je z ekonomických důvodů prakticky nemožné. Do stávajících technologií výroby polovodičů byly vynaloženy obrovské investice. Pro implementaci principů křemíkové fotoniky je třeba je přizpůsobit stávajícím technologiím. Řešením může být začlenění miniaturních přijímačů a vysílačů do mikroobvodů a umístění příslušných vlnovodů mezi ně. Jedná se o nejobtížnější inženýrsko-technický úkol, který byl od roku 2017 vyřešen.

Intel to dokázal dříve než ostatní – korporace již své produkty nabídla na trh. Brzy bychom se měli dočkat oznámení od IBM, následovat budou Mellanox, Broadcom, Ciena, Juniper a řada dalších velkých společností. Zároveň se skupují startupy, které dosáhly úspěchu. Proces začal, ale ne rychle. Potíže jsou způsobeny skutečností, že vytváření nových produktů vyžaduje značné finanční prostředky a čas, což přináší výhody největším prodejcům.

Čtyři úrovně komunikace

Technologie křemíkové fotoniky již dnes umožňují vytvořit 100 Gbit Ethernet a v dohledné době 400 Gbit a 1 Tbit. Takové rychlosti výměny dat otevírají příležitosti pro konvergenci moderních architektur do kvalitativně nových – na úrovni racku RSA (Rack-Scale Architecture) a na úrovni datových center ESSA (Extended-scale system architecture). Limit prvního je omezen na tzv. pod (jeden nebo více racků), druhý pokrývá celé datové centrum. Komponenty těchto infrastruktur komunikují na dálku prostřednictvím sběrnice PCIe (sběrnice PCIe se propojuje na dálku).

Pomocí křemíkové fotoniky je vytvořen hierarchický komunikační systém rozdělený do 4 úrovní:

Úroveň 1 "Chip": Implementace technologií křemíkové fotoniky uvnitř čipu je zajímavá z několika důvodů:

• Čipů je podstatně více než racků, proto je potřeba přijímačů a vysílačů velká a tyto technologie se budou rychle vyvíjet.
• Rychlost komunikace mimo čip se výrazně zvýší, takže principy návrhu systému se mohou výrazně změnit.
• Z dlouhodobého hlediska si lze představit, že optickou komunikaci lze využít mezi součástmi čipu, například pro výměnu mezi jádry. Ale na tak krátké vzdálenosti si měď udrží svou pozici po dlouhou dobu.