Uplynulý rok 2007 byl velmi úspěšný pro vývoj mnoha technologií Intel, včetně oblasti křemíkové fotoniky. Časopis MIT Technology Review přirovnal nejnovější průlomové úspěchy Intelu v této oblasti k trojnásobnému vítězství v závodech – takto hodnotili pozorovatelé přední publikace sérii oficiálních oznámení korporace. Podle Justina Rattnera, technologického ředitele a šéfa Corporate Technology Group společnosti Intel, „Empiricky jsme prokázali, že výrobní technologie kompatibilní s křemíkovou technologií CMOS umožňují vytvářet polovodičová optická zařízení.
Prokázat tuto skutečnost bylo obrovským úspěchem, ale pro další rozvoj tohoto technologického směru jsou potřeba neméně významné kroky. Nyní se musíme naučit, jak integrovat křemíková fotonická zařízení do standardních počítačových komponent; Stále nevíme, jak to udělat. Zároveň ale nadále aktivně spolupracujeme s vývojovými odděleními různé typy produkty nabídnout výrobcům modely pro použití polovodičové fotoniky v řešeních Intel."
Křemíková fotonika jako prostředek k odstranění úzkých míst na cestě do éry tera computingu
Nejdůležitější je křemíková fotonika komponent Dlouhodobá strategie rozvoje Corporate Technology Group zaměřená na urychlení přechodu na tera-computing. Jde o to, že jak se vyvíjíme vícejádrové procesory S obrovským výpočetním výkonem čelí inženýři novým výzvám. Například požadavek na rychlost komunikace mezi pamětí a procesorem brzy překročí fyzická omezení měděných vodičů a přenosová rychlost elektrických signálů bude nižší než rychlost procesoru. Již dnes je výkon výkonných výpočetních systémů často limitován rychlostí výměny dat mezi procesorem a pamětí. Dnešní technologie přenosu dat jsou navrženy pro mnohem menší šířku pásma ve srovnání s fotonikou a s rostoucí vzdáleností, na kterou jsou data přenášena, se přenosová rychlost ještě zpomaluje.
Testy prototypu optického paměťového modulu ukázaly, že pro přístup k paměti serveru lze použít spíše světlo než elektřinu
"Musíme přizpůsobit rychlost přenosu dat mezi komponenty výpočetní platformy rychlosti procesorů. To je opravdu velmi důležitý úkol. Křemíkovou fotoniku vnímáme jako řešení tohoto problému, a proto máme výzkumný program, který nám umožňuje zaujmout vedoucí pozici v této oblasti,“ řekl Kevin Kahn, významný výzkumný inženýr společnosti Intel Corporation.
Tým vedený předním výzkumníkem v oblasti optiky společnosti Intel, Drewem Alduinem, staví systém. optické komunikace mezi procesorem a pamětí platformy Intel. Již byla vytvořena testovací platforma založená na plně vyrovnávací paměti FB-DIMM, na které se načítá a běží Microsoft Windows. Aktuální prototyp je důkazem schopnosti propojit paměť s procesorem pomocí optických komunikačních linek, aniž by došlo ke snížení výkonu systému.
Vytvoření komerční verze takového řešení má pro uživatele obrovské výhody. Optické komunikační systémy odstraní úzké místo mezi šířkou pásma paměti a rychlostí procesoru a zlepší celkový výkon výpočetní platformy.
Od výzkumu po realizaci
Laboratoř Photonics Technology Lab, kterou vede významný výzkumný inženýr Intel Mario Paniccia, prokázala, že všechny optické komunikační komponenty – laser, modulátor a demodulátor – lze vyrobit z polovodičů pomocí stávajících výrobních technologií. Společnost PTL již prokázala kritické křemíkové fotonické komponenty fungující s rekordním výkonem, včetně modulátorů a demodulátorů, které poskytují přenosovou rychlost až 40 Gbps.
K implementaci technologie polovodičové fotoniky je zapotřebí šest hlavních komponent:
- fotony emitující laser;
- modulátor pro konverzi proudu fotonů na proud informací pro přenos mezi prvky výpočetní platformy;
- vlnovody, které fungují jako „přenosové vedení“ pro doručování fotonů na jejich místa určení, a multiplexory pro kombinování nebo oddělení světelných signálů;
- pouzdro, nezbytné zejména pro vytváření montážních technologií a nízkonákladových řešení využitelných v hromadné výrobě PC;
- demodulátor pro příjem proudů fotonů nesoucích informace a jejich přeměnu zpět na proud elektronů, dostupný pro zpracování počítačem;
- elektronické obvody spravovat tyto komponenty.
Problematika implementace všech těchto optických komunikačních komponent pomocí polovodičových technologií je široce uznávána jako velký výzkumný problém, jehož řešení povede k obrovskému technickému průlomu. Společnost PTL již vytvořila řadu světových rekordů vývojem vysoce výkonných zařízení, modulátorů, zesilovačů a demodulátorů, které poskytují přenosovou rychlost až 40 Gbps. Během příštích pěti let se Intel bude snažit integrovat tyto komponenty do skutečných produktů.
V oblasti polovodičové fotoniky již Intel vstoupil na domácí trh. Výzkum v oblasti integrace optických prvků již přešel z fáze vědeckého či technologického vývoje do fáze vytváření komerčních produktů. Výzkumný tým se nyní zaměřuje na identifikaci schopností a specifikací pro navrhování inovativních produktů založených na této revoluční technologii. Týmy Intel nakonec vytvářejí prototypy a úzce spolupracují s týmy pro vývoj produktů, aby urychlily přijetí nová technologie.
Kromě vlastních aktivit financuje Intel některé z nejslibnějších výzkumů v této oblasti mimo CTG – konkrétně spolupracuje s Kalifornskou univerzitou v Santa Barbaře, která vyvíjí hybridní polovodičový laser. V laboratoři PTL absolvují stáže i talentovaní absolventi různých univerzit z jiných zemí.
Richard Jones, hlavní výzkumník v oblasti optiky společnosti Intel, řekl: "Máme před sebou dvě hlavní výzvy v rámci projektu hybridního laseru. Za prvé, musíme přesunout pilotní výrobní zařízení hybridního laseru z UCLA do závodu Intelu. -Zadruhé musíme spojit hybridní laser, vysokorychlostní polovodičový modulátor a multiplexer, který dokazuje, že dokážeme vytvořit jediný optický vysílač založený na produkční technologie Kompatibilní s CMOS."
Zavedení technologií křemíkové fotoniky bude zahrnovat vývoj nových výrobních postupů pro výrobu laserů ve velkoobjemovém měřítku. Úspěchy Intelu na poli fotoniky mu umožní výrazně překonat potenciální konkurenty. PTL Laboratory již zaregistrovalo asi 150 patentů. Nejprestižnější publikace, jako je Nature, zaznamenaly bezprecedentní úspěchy specialistů Intel. Společnost Intel navíc získala v roce 2007 cenu EE Times ACE Award za nejslibnější novou technologii.
Pronásledování fotonů
Na rozdíl od stávajících zaběhlých a desetiletími ověřených postupů výroby tranzistorů je technologie vytváření prvků pro polovodičovou fotoniku zcela nová. Na cestě k jeho implementaci jsou určité problémy: optimalizace zařízení, zvýšení spolehlivosti návrhu, vývoj testovací metodiky, zajištění energetické účinnosti a vývoj subminiaturních zařízení.
Aby mohly být nové komponenty použity v praxi, PTL musí zajistit, aby optické komponenty splňovaly mimořádně vysoká kritéria spolehlivosti výpočetního průmyslu. V optickém průmyslu byly po desetiletí vyvíjeny přísné standardy spolehlivosti. V souladu s nimi jsou před zahájením sériové výroby nových produktů vyžadovány měsíce testování. Pokud se během těchto zdlouhavých testů zjistí problémy, jejich náprava a opětovné testování může výrazně zpozdit dobu uvedení produktu na trh.
Jedním z nejdůležitějších problémů je optimalizace, protože laboratoř PTL vyvíjí optická zařízení pro hromadné výpočty. I když neexistují žádné jiné podobné produkty, normy nebo jiné referenční body, inženýři vyvíjející nový technologický postup sami hledají řešení, která nejlépe vyhovují potřebám počítačových aplikací.
V současné době výzkumná skupina PTL, relativně malá podle standardů fotoelektroniky, postupně přesouvá své zaměření na komercializaci řešení polovodičové fotoniky a očekává, že masové přijetí této neuvěřitelné technologie začne již v roce 2010.
Skupina specialistů na optiku ze skupiny Digital Enterprise Group (DEG), vedená Victorem Krutulem, vyvíjí aplikace, které poskytnou základ pro vývoj nové technologie. „Věříme, že zvládnutím optické komunikace budou produkty Intel i nadále splňovat Mooreův zákon,“ říká Krutal.
Při přenosu informací mezi komponentami stejné výpočetní platformy a mezi nimi různé systémy ne elektrony, ale fotony, dojde k další počítačové revoluci. Přední výrobci elektroniky po celém světě se již zapojili do tohoto závodu a snaží se získat soutěžní výhody. Význam nové technologie lze přirovnat k vynálezu integrované obvody. Intel je v tomto výzkumu a vývoji polovodičových součástek na bázi fotoniky průkopníkem.
Zprávy Novinky z elektronikyKřemíková fotonika: nahradí světlo elektřinu?
Plně polovodičový laser s kontinuální vlnou řeší dříve nepřekonatelný problém dvoufotonové absorpce
Mikroelektronika již čelí fyzickým omezením (na atomové úrovni) při přenosu elektrických signálů mezi čipy. Možné řešení Tento problém může vzniknout z vývoje netradičních technologií, zejména křemíkové fotoniky.
Intel již vytvořil mnoho struktur potřebných k přenosu signálů mezi čipy pomocí světla stejně snadno, jako to dnes dělají elektrony. Hlavním problémem byl nedostatek vhodného světelného zdroje. Intel nedávno oznámil nový průlom v této oblasti – první celopolovodičový laser s kontinuální vlnou využívající fyzikální jev nazývaný Ramanův jev (v kvantové mechanice je Ramanův jev popisován jako výměna energie mezi molekulami rozptylující látky a dopadajícím světlem). ) a vytvořené pomocí standardních standardních CMOS krystalů.
Využitím výkonu polovodičů byli výzkumníci společnosti Intel schopni realizovat funkčnost tradičního, objemného, skleněného Ramanova laseru obvykle o velikosti kufru, čímž se jeho velikost zmenšila na tloušťku jedné stopy na křemíkovém plátku.
Tento průlom v křemíkové fotonice povede k praktickým a cenově dostupným řešením pro komunikaci a výpočetní techniku, nové lékařské vybavení a senzory a laditelné polovodičové lasery by mohly nahradit své předchůdce, kteří stojí stovky a tisíce dolarů. Tento úspěch by také mohl vést k rychlejšímu vývoji nových optických propojení mezi čipy a externí zařízení, protože tenká optická vlákna zabírají méně místa než elektrické kabely a zajistí lepší podmínky chlazení pro počítače a servery.
Polovodičový laserový demonstrační plátek byl vyroben pomocí standardní technologie CMOS na stávající výrobní lince. To znamená, že u těchto nových technologií nemusí být cesta z laboratoře do výroby dlouhá a složitá, jak je tomu u některých nekonvenčních technologií, ale spíše přímá a rychlá.
Křemíkový fotonický čip, výsledek desetiletého výzkumu, je schopen přenášet data pomocí světelných pulzů rychlostí až 100 Gbps. Během testování dosahovala přenosová vzdálenost dvou kilometrů.
Light umožňuje přenos dat rychleji než měděné kabely, které propojují úložné systémy, síťová zařízení a servery ve zpracovatelských centrech. Křemíkový fotonický čip umožní propojit servery a superpočítače budoucích generací vysokorychlostním optickým připojením, ve kterém se musí přenášet obrovské množství dat mezi výpočetními uzly.
IBM vyvíjí svou technologii s ohledem na datová centra a neočekává se, že se v dohledné době dostane do osobních počítačů nebo kapesních zařízení, řekl Wilfird Hensch, senior manažer divize křemíkové fotoniky IBM.
Technologie křemíkové fotoniky mají potenciál zásadně změnit způsob nasazení serverů v datových centrech díky schopnosti oddělit od sebe procesní, paměťové a úložné jednotky. V důsledku tohoto oddělení budou moci aplikace běžet rychleji a náklady na komponenty se sníží konsolidací ventilátorů a napájecích zdrojů.
Vzhledem k rostoucímu využívání systémů strojového učení a zpracování velkých dat je dnes potřeba výpočetní výkon servery. S optickým propojením mohly desítky procesorů komunikovat v rámci jednoho serverový rack, což by usnadnilo distribuci úloh pro víceuzlové zpracování, říká Richard Doherty, ředitel výzkumu The Envisioneering Group.
S optickým propojením lze servery, stejně jako jednotky, snadno vyměnit bez přerušení na základě potřeb výpočetního výkonu, dodal.
Světlo se již používá pro přenos dat na dlouhé vzdálenosti v komunikačních sítích, ale technologie optických vláken není levná. Optické kabely podporuje také rozhraní Thunderbolt, které se v počítačích Mac a PC používá pro vysokorychlostní výměnu dat s periferními zařízeními.
Technologie křemíkové fotoniky IBM je levnější a má kratší dosah než optická zařízení telekomunikačních sítí, řekl Hensch.
Intel také vytvořil křemíkové fotonické čipy pro datová centra, ale společnost nebyla schopna dodržet oznámená data vydání. IBM možná není první, kdo navrhl křemíkový fotonický vysílač, ale jeho technologie je životaschopnější a méně složitá než technologie Intelu, domnívá se Doherty.
Čip IBM je podle něj jednodušší a levnější na výrobu a má jednoduchá struktura, zatímco řešení Intelu vyžaduje další fyzické komponenty.
Samotný Intel však tvrdí, že jeho optické moduly jsou integrované a mají výhody z hlediska testování a ceny.
Čipy obou společností přenášejí data zcela odlišným způsobem a každý má své výhody. Čip IBM je navržen pro přenos přes jediné vlákno přes čtyři kanály s různými vlnovými délkami Technologie Intel Doherty zdůraznil, že se lépe škáluje, což umožňuje zvýšit počet drátů v kabelu.
Intel má optické kabely MXC s až 64 jádry, každý s přenosovou rychlostí 25 Gbps. Zvýšení počtu vláken však může být drahé a jednojádrová varianta IBM může splnit požadavky na rychlost a vzdálenost mnoha datových center s nižšími náklady, dodal Doherty.
IBM neuvedla, kdy by se její křemíkové fotonické čipy mohly dostat na trh.
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, uvedeme jednoduché srovnání: tato šířka pásma je poměrně dostačující pro zajištění přenosu telefonické rozhovory současně všichni obyvatelé 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. Strukturální schéma optický komunikační systém je znázorněn 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 všechny potřebné komponenty byly integrovány. elektronické komponenty. Praktickou realizaci této myšlenky však bránila skutečnost, že součástky optických obvodů byly vyrobeny z různé materiály, tedy integrovat vše do jediné platformy (čipu) na bázi křemíku potřebné komponenty bylo to nemožné. 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 vzhledem ke 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 rekombinační energie převážně ve formě infračervených fotonů, proto mohou tyto materiály sloužit jako zdroje fotonů a mohou být použity k vytvoření 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 malé inertnosti teoreticky umožňuje modulaci světla až do frekvence 10 THz. Navíc kvůli lineární závislost 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 může být dosažena na základě tepelného efektu. To znamená, že když se změní teplota křemíku, změní se jeho index lomu a koeficient absorpce světla. Avšak v důsledku 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 získat vysoké rychlosti, 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 polovodičových laditelných laserů, které bylo prokázáno od společnosti Intel zpět 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 amplitudové modulace nosný signál - přivedením napětí na jeden z fázových modulátorů se změní fáze vlny v jednom z ramen interferometru 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 urazilo několik kilometrů podél optického vlákna. 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 pumpy jen do určité hranice, 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 průhledná 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 externí zdroje optické záření (umístěné vně čipu 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. Při míjení elektrický proud Prostřednictvím fosfidu india se v důsledku procesu rekombinace děr a elektronů objevují 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 sloužit Výchozí bod pro příchod éry vysoce výkonných počítačů.
V blízké budoucnosti budou do čipu integrovány desítky křemíkových laserů, modulátorů a multiplexeru, které umožní vytvářet optické komunikační kanály s terabity. propustnost(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."