Το προηγούμενο 2007 ήταν μια πολύ επιτυχημένη χρονιά για την ανάπτυξη πολλών τεχνολογιών της Intel, συμπεριλαμβανομένων εκείνων στον τομέα της φωτονικής πυριτίου. Τα τελευταία επιτεύγματα της Intel σε αυτόν τον τομέα συγκρίθηκαν από το περιοδικό MIT Technology Review με τριπλή νίκη στους αγώνες - έτσι αξιολόγησαν οι κριτές της κορυφαίας έκδοσης μια σειρά από επίσημες ανακοινώσεις της εταιρείας. Όπως είπε ο Justin Rattner, επικεφαλής τεχνολογίας και επικεφαλής του Corporate Technology Group της Intel, «Έχουμε αποδείξει εμπειρικά ότι οι τεχνολογίες κατασκευής συμβατές με την τεχνολογία CMOS πυριτίου επιτρέπουν τη δημιουργία οπτικών συσκευών ημιαγωγών.
Η απόδειξη αυτού του γεγονότος ήταν ένα τεράστιο επίτευγμα, αλλά δεν χρειάζονται λιγότερο σημαντικά βήματα για την περαιτέρω ανάπτυξη αυτής της τεχνολογικής κατεύθυνσης. Τώρα πρέπει να μάθουμε πώς να ενσωματώνουμε συσκευές φωτονικής πυριτίου σε τυπικά εξαρτήματα υπολογιστή. δεν είμαστε ακόμη σε θέση να το κάνουμε αυτό. Ταυτόχρονα όμως συνεχίζουμε να εργαζόμαστε ενεργά μαζί με τα τμήματα ανάπτυξης διάφορα είδηπροϊόντα για να προσφέρουν στους κατασκευαστές μοντέλα για τη χρήση φωτονικής ημιαγωγών σε λύσεις Intel."
Η φωτονική πυριτίου ως μέσο για την εξάλειψη των σημείων συμφόρησης στο δρόμο προς την εποχή του tera computing
Η φωτονική του πυριτίου είναι η πιο σημαντική συστατικόμακροπρόθεσμη στρατηγική ανάπτυξης του Ομίλου Corporate Technology, με στόχο την επιτάχυνση της μετάβασης στο tera computing. Το θέμα είναι ότι ως ανάπτυξη επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνωνμε τεράστια υπολογιστική ισχύ, οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν νέες προκλήσεις. Για παράδειγμα, η ανάγκη για ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων μεταξύ της μνήμης και του επεξεργαστή θα υπερβεί σύντομα τα φυσικά όρια που επιβάλλουν οι χάλκινοι αγωγοί και ο ρυθμός μεταφοράς των ηλεκτρικών σημάτων θα γίνει μικρότερος από την ταχύτητα του επεξεργαστή. Ακόμη και τώρα, η απόδοση των ισχυρών υπολογιστικών συστημάτων περιορίζεται συχνά από την ταχύτητα ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ του επεξεργαστή και της μνήμης. Οι σημερινές τεχνολογίες μεταφοράς δεδομένων έχουν σχεδιαστεί για πολύ χαμηλότερο εύρος ζώνης από τη φωτονική, και καθώς η απόσταση στην οποία μεταφέρονται τα δεδομένα αυξάνεται, ο ρυθμός μεταφοράς γίνεται ακόμη χαμηλότερος.
Οι δοκιμές μιας πρωτότυπης μονάδας οπτικής μνήμης έδειξαν ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ηλεκτρισμός, αλλά φως για πρόσβαση στη μνήμη του διακομιστή
"Είναι απαραίτητο να ευθυγραμμιστεί ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων μεταξύ των στοιχείων της υπολογιστικής πλατφόρμας με την ταχύτητα των επεξεργαστών. Αυτό είναι πράγματι ένα πολύ σημαντικό έργο. Βλέπουμε τη φωτονική του πυριτίου ως λύση σε αυτό το πρόβλημα και ως εκ τούτου επιδιώκουμε ένα ερευνητικό πρόγραμμα που μας επιτρέπει να καταλάβουμε την πρώτη γραμμή σε αυτόν τον τομέα», δήλωσε ο Kevin Kahn, Διακεκριμένος Μηχανικός Έρευνας στην Intel Corporation.
Μια ομάδα με επικεφαλής τον επικεφαλής ερευνητή Intel Optics Drew Alduino κατασκευάζει ένα σύστημα οπτικής επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστή και μνήμης για πλατφόρμες Intel. Έχει ήδη δημιουργηθεί μια δοκιμαστική πλατφόρμα που βασίζεται σε μια πλήρως ενσωματωμένη μνήμη FB-DIMM, στην οποία εκκινείται και εκτελείται Microsoft Windows. Το πρωτότυπο εργασίας αποτελεί απόδειξη της δυνατότητας σύνδεσης της μνήμης με τον επεξεργαστή χρησιμοποιώντας οπτικές γραμμές επικοινωνίας χωρίς συμβιβασμούς στην απόδοση του συστήματος.
Η δημιουργία μιας εμπορικής έκδοσης μιας τέτοιας λύσης έχει τεράστια οφέλη για τους χρήστες. Τα συστήματα οπτικής επικοινωνίας θα εξαλείψουν το σημείο συμφόρησης που σχετίζεται με τη διαφορά στο εύρος ζώνης της μνήμης και την ταχύτητα του επεξεργαστή και θα βελτιώσουν τη συνολική απόδοση της υπολογιστικής πλατφόρμας.
Από την έρευνα στην υλοποίηση
Το Photonics Technology Lab, που διευθύνεται από τον διακεκριμένο ερευνητή της Intel, Mario Paniccia, έχει αποδείξει ότι όλα τα εξαρτήματα για οπτικές επικοινωνίες—λέιζερ, διαμορφωτής και αποδιαμορφωτής— μπορούν να κατασκευαστούν από ημιαγωγούς χρησιμοποιώντας υπάρχουσες τεχνικές κατασκευής. Το PTL έχει ήδη επιδείξει κρίσιμα εξαρτήματα φωτονικής πυριτίου που λειτουργούν με απόδοση ρεκόρ, συμπεριλαμβανομένων διαμορφωτών και αποδιαμορφωτών ικανών για ταχύτητες δεδομένων έως και 40 Gbps.
Η τεχνολογία φωτονικής ημιαγωγών απαιτεί έξι βασικά στοιχεία:
- ένα λέιζερ που εκπέμπει φωτόνια.
- ένας διαμορφωτής για τη μετατροπή του ρεύματος φωτονίων σε ροή πληροφοριών για μετάδοση μεταξύ στοιχείων της υπολογιστικής πλατφόρμας·
- κυματοδηγοί που λειτουργούν ως «γραμμές μετάδοσης» για την παράδοση φωτονίων στους προορισμούς τους και πολυπλέκτης για συνδυασμό ή διαχωρισμό φωτεινών σημάτων.
- περίπτωση, ιδιαίτερα απαραίτητη για τη δημιουργία τεχνολογιών συναρμολόγησης και λύσεων χαμηλού κόστους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη μαζική παραγωγή Η/Υ.
- ένας αποδιαμορφωτής για τη λήψη ρευμάτων φωτονίων που μεταφέρουν πληροφορίες και την αντίστροφη μετατροπή τους σε ρεύμα ηλεκτρονίων διαθέσιμο για επεξεργασία από υπολογιστή.
- ηλεκτρονικά κυκλώματαγια τον έλεγχο αυτών των στοιχείων.
Η υλοποίηση όλων αυτών των στοιχείων οπτικής επικοινωνίας που βασίζονται σε τεχνολογίες ημιαγωγών αναγνωρίζεται ευρέως ως το σημαντικότερο ερευνητικό πρόβλημα, η επίλυση του οποίου θα οδηγήσει σε μια τεράστια τεχνική ανακάλυψη. Η PTL έχει ήδη σημειώσει πολλά παγκόσμια ρεκόρ αναπτύσσοντας συσκευές υψηλής απόδοσης, διαμορφωτές, ενισχυτές και αποδιαμορφωτές που παρέχουν ταχύτητες δεδομένων έως και 40 Gbps. Μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια, η Intel θα αναζητήσει τρόπους για να ενσωματώσει αυτά τα στοιχεία σε πραγματικά προϊόντα.
Στον τομέα της φωτονικής ημιαγωγών, η Intel έχει ήδη φτάσει στη γραμμή του τερματισμού. Η έρευνα στον τομέα της ενσωμάτωσης οπτικών στοιχείων έχει ήδη περάσει από το στάδιο της επιστημονικής ή τεχνολογικής ανάπτυξης στο στάδιο της δημιουργίας εμπορικών προϊόντων. Η ερευνητική ομάδα βρίσκεται τώρα στη διαδικασία εντοπισμού των δυνατοτήτων και των προδιαγραφών για το σχεδιασμό καινοτόμων προϊόντων που βασίζονται σε αυτήν την επαναστατική τεχνολογία. Τελικά, η Intel δημιουργεί πρωτότυπα και συνεργάζεται στενά με τις ομάδες ανάπτυξης προϊόντων για να επιταχύνει την υιοθέτηση. νέα τεχνολογία.
Εκτός από τις δικές της δραστηριότητες, η Intel Corporation χρηματοδοτεί μερικές από τις πιο υποσχόμενες έρευνες προς αυτή την κατεύθυνση εκτός CTG - συγκεκριμένα, συνεργάζεται με το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, το οποίο αναπτύσσει ένα υβριδικό λέιζερ ημιαγωγών. Στο εργαστήριο PTL εκπαιδεύονται και ταλαντούχοι πτυχιούχοι από διάφορα πανεπιστήμια από άλλες χώρες.
Σύμφωνα με τον επικεφαλής ερευνητή της Intel Optics Richard Jones, "Υπάρχουν δύο κρίσιμες προκλήσεις μπροστά μας στο έργο λέιζερ υβριδικών ημιαγωγών αυτή τη στιγμή. Δεύτερον, πρέπει να συνδυάσουμε ένα υβριδικό λέιζερ, έναν διαμορφωτή ημιαγωγών υψηλής ταχύτητας και έναν πολυπλέκτη για να αποδείξουμε ότι μπορεί να δημιουργήσει έναν ενιαίο οπτικό πομπό με βάση τεχνολογία παραγωγήςΣυμβατό με CMOS".
Η εισαγωγή τεχνολογιών φωτονικής πυριτίου θα περιλαμβάνει την ανάπτυξη νέων διαδικασιών παραγωγής για την κατασκευή λέιζερ σε μεγάλη κλίμακα. Η επιτυχία της Intel Corporation στον τομέα της φωτονικής θα της επιτρέψει να ξεπεράσει σημαντικά τους πιθανούς ανταγωνιστές της. Η PTL έχει ήδη καταχωρίσει περίπου 150 διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Οι πιο διάσημες εκδόσεις, όπως το Nature, έχουν σημειώσει τα πρωτόγνωρα επιτεύγματα των ειδικών της Intel. Επιπλέον, το 2007, η Intel τιμήθηκε με το EE Times ACE Award for Most Promising New Technology.
Στην καταδίωξη φωτονίων
Σε αντίθεση με τις υπάρχουσες καθιερωμένες και δεκαετίες διαδικασίες για την κατασκευή τρανζίστορ, η τεχνολογία δημιουργίας στοιχείων για φωτονική ημιαγωγών είναι εντελώς νέα. Ορισμένα προβλήματα εμποδίζουν την υλοποίησή του: βελτιστοποίηση συσκευών, αύξηση της αξιοπιστίας του σχεδιασμού, μεθοδολογία δοκιμών για δοκιμές, διασφάλιση ενεργειακής απόδοσης και ανάπτυξη μικροσκοπικών συσκευών.
Προκειμένου να τεθούν σε εφαρμογή νέα εξαρτήματα, η PTL πρέπει να διασφαλίσει ότι τα οπτικά εξαρτήματα πληρούν τα εξαιρετικά υψηλά κριτήρια αξιοπιστίας που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία υπολογιστών. Στη βιομηχανία οπτικών, έχουν αναπτυχθεί αυστηρά πρότυπα αξιοπιστίας εδώ και δεκαετίες. Σύμφωνα με αυτά, απαιτούνται μήνες δοκιμών πριν από την έναρξη της σειριακής παραγωγής νέων προϊόντων. Εάν εντοπιστούν προβλήματα κατά τη διάρκεια αυτών των μακροχρόνιων δοκιμών, η επιδιόρθωση και η επανέλεγχή τους μπορεί να καθυστερήσει σημαντικά τον χρόνο διάθεσης ενός προϊόντος στην αγορά.
Ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα είναι η βελτιστοποίηση, επειδή το εργαστήριο PTL αναπτύσσει οπτικές συσκευές για μαζικούς υπολογισμούς. Ενώ δεν υπάρχουν άλλα παρόμοια προϊόντα, πρότυπα ή άλλα σημεία αναφοράς, εναπόκειται στους μηχανικούς να αναπτύξουν μια νέα διαδικασία για να βρουν λύσεις που ανταποκρίνονται καλύτερα στις ανάγκες των εφαρμογών υπολογιστών.
Επί του παρόντος, η ερευνητική ομάδα PTL, σχετικά μικρή για τα πρότυπα της φωτοηλεκτρονικής, μεταβαίνει σταδιακά στην εμπορευματοποίηση λύσεων φωτονικής ημιαγωγών και αναμένει ότι η μαζική εφαρμογή αυτής της απίστευτης τεχνολογίας μπορεί να ξεκινήσει ήδη από το 2010.
Μια ομάδα ειδικών οπτικών από το Digital Enterprise Group (DEG), με επικεφαλής τον Victor Krutul, αναπτύσσει εφαρμογές που θα αποτελέσουν τη βάση για την αναδυόμενη τεχνολογία. «Πιστεύουμε ότι τα προϊόντα της Intel θα συνεχίσουν να συμμορφώνονται με τον νόμο του Moore μέσω της ανάπτυξης οπτικών επικοινωνιών», λέει ο Krutal.
Πότε να μεταφέρετε πληροφορίες μεταξύ στοιχείων της ίδιας υπολογιστικής πλατφόρμας και μεταξύ διαφορετικά συστήματαΔεν θα χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόνια, αλλά φωτόνια, η επόμενη επανάσταση στον υπολογιστή θα πραγματοποιηθεί. Κορυφαίοι κατασκευαστές ηλεκτρονικών ειδών σε όλο τον κόσμο συμμετέχουν ήδη σε αυτόν τον αγώνα για να κερδίσουν ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα. Η σημασία μιας νέας τεχνολογίας μπορεί να συγκριθεί με μια εφεύρεση ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η Intel πρωτοστατεί σε αυτήν την έρευνα και στην ανάπτυξη εξαρτημάτων φωτονικής ημιαγωγών.
Νέα Ηλεκτρονικά νέαΦωτονική πυριτίου: το φως θα αντικαταστήσει τον ηλεκτρισμό;
Το λέιζερ CW εξ ολοκλήρου ημιαγωγού λύνει το προηγουμένως ανυπέρβλητο πρόβλημα απορρόφησης δύο φωτονίων
Η μικροηλεκτρονική αντιμετωπίζει ήδη φυσικούς περιορισμούς (σε ατομικό επίπεδο) στη μετάδοση ηλεκτρικών σημάτων μεταξύ μικροκυκλωμάτων. Πιθανή λύσηΑυτό το πρόβλημα μπορεί να είναι η ανάπτυξη μη παραδοσιακών τεχνολογιών, ιδιαίτερα η φωτονική πυριτίου.
Η Intel έχει ήδη δημιουργήσει πολλές από τις δομές που απαιτούνται για να κάνει τη σηματοδότηση μεταξύ των τσιπ με χρήση φωτός τόσο εύκολη όσο κάνουν τώρα τα ηλεκτρόνια. Το κύριο πρόβλημα για αυτό ήταν η έλλειψη κατάλληλης πηγής φωτός. Η Intel ανακοίνωσε πρόσφατα μια νέα ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα, το πρώτο λέιζερ συνεχών κυμάτων αποκλειστικά ημιαγωγών που χρησιμοποιεί ένα φυσικό φαινόμενο που ονομάζεται φαινόμενο Raman (στην κβαντομηχανική, το φαινόμενο Raman περιγράφεται ως η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ μορίων σκέδασης και προσπίπτοντος φωτός) και κατασκευασμένο με χρήση τυπικών εμπορικών κρυστάλλων CMOS.
Χρησιμοποιώντας τη δύναμη των ημιαγωγών, οι ερευνητές της Intel μπόρεσαν να συνειδητοποιήσουν τη λειτουργικότητα ενός παραδοσιακού, ογκώδους λέιζερ Raman που χρησιμοποιεί γυαλί και έχει συνήθως το μέγεθος μιας βαλίτσας, συρρικνώνοντάς το στο πάχος μιας μονής τροχιάς σε μια γκοφρέτα πυριτίου.
Αυτή η ανακάλυψη στη φωτονική του πυριτίου θα οδηγήσει σε πρακτικές και προσιτές λύσεις για επικοινωνίες και υπολογιστές, στη δημιουργία νέου ιατρικού εξοπλισμού και αισθητήρων, και το ρυθμιζόμενο λέιζερ ημιαγωγών μπορεί να αντικαταστήσει τους προκατόχους του που κοστίζουν εκατοντάδες και χιλιάδες δολάρια. Αυτό το επίτευγμα μπορεί επίσης να οδηγήσει στην επιτάχυνση της δημιουργίας νέων οπτικών διασυνδέσεων μεταξύ μικροκυκλωμάτων και εξωτερικές συσκευές, επειδή Οι λεπτές οπτικές ίνες καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο από τα ηλεκτρικά καλώδια και θα παρέχουν καλύτερες συνθήκες ψύξης για υπολογιστές και διακομιστές.
Η γκοφρέτα επίδειξης λέιζερ ημιαγωγών κατασκευάστηκε με χρήση τυπικής τεχνολογίας CMOS σε υπάρχουσα γραμμή παραγωγής. Αυτό σημαίνει ότι για αυτές τις νέες τεχνολογίες, η διαδρομή από το εργαστήριο στην παραγωγή μπορεί να μην είναι μακρά και περίπλοκη, όπως συμβαίνει με ορισμένες μη παραδοσιακές τεχνολογίες, αλλά μάλλον άμεση και γρήγορη.
Το πυριτιο-φωτονικό τσιπ, αποτέλεσμα δεκαετούς έρευνας, είναι ικανό να μεταδίδει δεδομένα χρησιμοποιώντας παλμούς φωτός σε ταχύτητες έως και 100 Gbps. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, η απόσταση μετάδοσης έφτασε τα δύο χιλιόμετρα.
Το Light σάς επιτρέπει να μεταφέρετε δεδομένα πιο γρήγορα από τα χάλκινα καλώδια που συνδέουν συστήματα αποθήκευσης, εξοπλισμό δικτύου και διακομιστές σε κέντρα δεδομένων. Το πυρίτιο-φωτονικό τσιπ θα καταστήσει δυνατή τη σύνδεση διακομιστών και υπερυπολογιστών μελλοντικών γενεών με συνδέσεις οπτικών ινών υψηλής ταχύτητας, στις οποίες πρέπει να μεταφέρονται τεράστιες ποσότητες δεδομένων μεταξύ των κόμβων υπολογιστών.
Η IBM αναπτύσσει την τεχνολογία της με την προσδοκία να προχωρήσει στο κέντρο δεδομένων και σε υπολογιστές ή φορητές συσκευές, δεν θα πρέπει να το περιμένετε σύντομα, δήλωσε ο Wilfrid Hensch, ανώτερος διευθυντής του τμήματος φωτονικής πυριτίου της IBM.
Η τεχνολογία φωτονικής πυριτίου έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι διακομιστές αναπτύσσονται στα κέντρα δεδομένων διαχωρίζοντας τα μπλοκ επεξεργασίας, μνήμης και αποθήκευσης μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα αυτής της αποσύνδεσης, οι εφαρμογές μπορούν να εκτελούνται πιο γρήγορα και το κόστος των εξαρτημάτων μπορεί να μειωθεί με την ενοποίηση των ανεμιστήρων και των τροφοδοτικών.
Λόγω της ανάπτυξης στη χρήση συστημάτων μηχανικής μάθησης και επεξεργασίας μεγάλων δεδομένων, σήμερα η ανάγκη για υπολογιστική ισχύςδιακομιστές. Με τις οπτικές διασυνδέσεις, δεκάδες επεξεργαστές θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν σε έναν ράφι διακομιστή, που θα διευκόλυνε τη διανομή εργασιών για την επεξεργασία πολλών κόμβων, δήλωσε ο Richard Doherty, διευθυντής έρευνας στο The Envisioneering Group.
Με τις οπτικές διασυνδέσεις, οι διακομιστές θα μπορούσαν εύκολα να αντικατασταθούν, όπως οι μονάδες αποθήκευσης, χωρίς διακοπή, ανάλογα με τις ανάγκες επεξεργασίας ισχύος, πρόσθεσε.
Το φως χρησιμοποιείται ήδη για μετάδοση δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις σε δίκτυα επικοινωνίας, αλλά οι τεχνολογίες οπτικών ινών δεν είναι φθηνές. Τα οπτικά καλώδια υποστηρίζονται επίσης από τη διεπαφή Thunderbolt, η οποία χρησιμοποιείται σε Mac και PC για επικοινωνία υψηλής ταχύτητας με περιφερειακά.
Η τεχνολογία φωτονικής πυριτίου της IBM είναι φθηνότερη και έχει σχεδιαστεί για μικρότερες αποστάσεις από τον οπτικό εξοπλισμό τηλεπικοινωνιών, λέει ο Hensch.
Η Intel δημιούργησε επίσης τσιπ πυριτίου-φωτονικά για το κέντρο δεδομένων, αλλά η εταιρεία απέτυχε να τηρήσει τις ανακοινωθείσες ημερομηνίες κυκλοφορίας. Η IBM μπορεί να μην είναι η πρώτη που προσφέρει πομπό πυριτίου φωτονίου, αλλά η τεχνολογία της είναι πιο βιώσιμη και λιγότερο περίπλοκη από αυτή της Intel, είπε ο Doherty.
Σύμφωνα με τον ίδιο, το τσιπ της IBM είναι απλούστερο και φθηνότερο στην κατασκευή και έχει απλή δομή, ενώ η λύση Intel απαιτεί πρόσθετα φυσικά στοιχεία.
Η ίδια η Intel, ωστόσο, ισχυρίζεται ότι οι οπτικές της μονάδες είναι ενσωματωμένες και έχουν πλεονεκτήματα όσον αφορά τις δοκιμές και το κόστος.
Τα τσιπ των δύο εταιρειών μεταδίδουν δεδομένα με εντελώς διαφορετικούς τρόπους και το καθένα έχει τα δικά του πλεονεκτήματα. Το τσιπ της IBM έχει σχεδιαστεί για να εκπέμπει σε μία μόνο ίνα σε τέσσερα κανάλια με διαφορετικά μήκη κύματος, ενώ τεχνολογία Intelκλιμακώνεται καλύτερα, επιτρέποντας περισσότερα νήματα στο καλώδιο, επεσήμανε ο Ντόχερτι.
Η Intel διαθέτει οπτικά καλώδια MXC με έως και 64 σκέλη, το καθένα με ταχύτητα μεταφοράς 25 Gbps. Ωστόσο, η αύξηση του αριθμού των ινών μπορεί να έχει κόστος και η επιλογή ενός πυρήνα της IBM, με χαμηλότερο κόστος, θα μπορούσε να καλύψει τις απαιτήσεις πολλών κέντρων δεδομένων όσον αφορά την ταχύτητα και την απόσταση, πρόσθεσε ο Doherty.
Η IBM δεν διευκρίνισε πότε τα πυριτιο-φωτονικά τσιπ της θα μπορούσαν να εισέλθουν στην αγορά.
Στις 18 Σεπτεμβρίου του τρέχοντος έτους, η Intel, μαζί με το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, παρουσίασαν το πρώτο ηλεκτρικά αντλούμενο υβριδικό λέιζερ πυριτίου στον κόσμο, το οποίο συνδυάζει την ικανότητα εκπομπής και διάδοσης φωτός μέσω ενός κυματοδηγού πυριτίου και επίσης επωφελείται από το χαμηλό κόστος παραγωγής πυριτίου.. Η δημιουργία ενός υβριδικού λέιζερ πυριτίου είναι ένα ακόμη βήμα προς την απόκτηση τσιπ πυριτίου που περιέχει δεκάδες, ακόμη και εκατοντάδες φθηνά λέιζερ, τα οποία θα αποτελέσουν τη βάση των ηλεκτρονικών υπολογιστών στο μέλλον.
Ιστορία της φωτονικής του πυριτίου
Η φωτονική πυριτίου είναι μία από τις κύριες κατευθύνσεις στο ερευνητικό έργο της Intel Corporation. Η επόμενη σημαντική ανακάλυψη της εταιρείας σε αυτόν τον τομέα ήταν η δημιουργία του πρώτου ηλεκτρικά αντλούμενου υβριδικού λέιζερ πυριτίου στον κόσμο.
Τώρα, μάλιστα, έχει ανοίξει ο δρόμος για τη δημιουργία οπτικών ενισχυτών, λέιζερ και μετατροπέων μήκους κύματος φωτός που χρησιμοποιούν την καθιερωμένη τεχνολογία για την παραγωγή μικροκυκλωμάτων πυριτίου. Σταδιακά, η «σιλικονοποίηση» της φωτονικής γίνεται πραγματικότητα και στο μέλλον θα επιτρέψει τη δημιουργία φθηνών οπτικών κυκλωμάτων υψηλής απόδοσης που επιτρέπουν την ανταλλαγή δεδομένων τόσο εντός όσο και εκτός του υπολογιστή.
Τα συστήματα οπτικής επικοινωνίας έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα παραδοσιακά καλωδιακά συστήματα, μεταξύ των οποίων το κύριο εύρος ζώνης είναι το τεράστιο εύρος ζώνης τους. Για παράδειγμα, οι οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται σήμερα σε συστήματα επικοινωνίας μπορούν να μεταδώσουν ταυτόχρονα έως και 128 διαφορετικές ροές δεδομένων. Το θεωρητικό όριο για τη μετάδοση δεδομένων μέσω οπτικών ινών υπολογίζεται στα 100 τρισεκατομμύρια bit ανά δευτερόλεπτο. Για να παρουσιάσουμε αυτόν τον τεράστιο αριθμό, ας κάνουμε μια απλή σύγκριση: αυτό το εύρος ζώνης είναι αρκετό για να παρέχει μετάδοση τηλεφωνικές συνομιλίεςταυτόχρονα όλοι οι κάτοικοι του πλανήτη. Επομένως, είναι κατανοητό ότι τα συστήματα οπτικών επικοινωνιών προσελκύουν την προσοχή όλων των ερευνητικών εργαστηρίων.
Για τη μετάδοση πληροφοριών χρησιμοποιώντας ακτινοβολία φωτός, είναι απαραίτητο να υπάρχουν πολλά υποχρεωτικά στοιχεία: πηγές ακτινοβολίας (λέιζερ), διαμορφωτές κυμάτων φωτός, μέσω των οποίων ενσωματώνονται πληροφορίες στο κύμα φωτός, ανιχνευτές και οπτική ίνα για τη μετάδοση δεδομένων.
Με τη βοήθεια πολλών λέιζερ που εκπέμπουν κύματα διαφορετικού μήκους κύματος και διαμορφωτών, είναι δυνατή η ταυτόχρονη μετάδοση πολλών ροών δεδομένων μέσω μιας μοναδικής οπτικής ίνας. Στην πλευρά λήψης, για την επεξεργασία πληροφοριών, χρησιμοποιείται ένας οπτικός αποπολυπλέκτης, ο οποίος διαχωρίζει φορείς με διαφορετικά μήκη κύματος από το εισερχόμενο σήμα και οπτικούς ανιχνευτές, οι οποίοι επιτρέπουν τη μετατροπή των οπτικών σημάτων σε ηλεκτρικά. Δομικό σχήμαΤο οπτικό σύστημα επικοινωνίας φαίνεται στο σχ. ένας.
Ρύζι. 1. Δομικό διάγραμμα συστήματος οπτικής επικοινωνίας
Η έρευνα στον τομέα των συστημάτων οπτικών επικοινωνιών και των οπτικών κυκλωμάτων ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970 - τότε τα οπτικά κυκλώματα παρουσιάστηκαν ως κάποιο είδος οπτικού επεξεργαστή ή υπεροπτικού τσιπ, στο οποίο μια συσκευή εκπομπής, ένας διαμορφωτής, ένας ενισχυτής, ένας ανιχνευτής και όλα τα απαραίτητα ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ. Ωστόσο, η πρακτική εφαρμογή αυτής της ιδέας παρεμποδίστηκε από το γεγονός ότι τα στοιχεία των οπτικών κυκλωμάτων κατασκευάζονταν από διαφορετικά υλικά, επομένως, ενσωματώνονται σε μια ενιαία πλατφόρμα (τσιπ) που βασίζεται σε πυρίτιο απαραίτητα εξαρτήματαήταν αδύνατο. Παρά τον θρίαμβο του πυριτίου στον τομέα των ηλεκτρονικών, η χρήση του στην οπτική φαινόταν πολύ αμφίβολη.
Η μελέτη της δυνατότητας χρήσης πυριτίου για οπτικά κυκλώματα συνεχίζεται εδώ και πολλά χρόνια - από το δεύτερο μισό της δεκαετίας του 1980. Ωστόσο, μικρή πρόοδος έχει σημειωθεί κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Σε σύγκριση με άλλα υλικά, οι προσπάθειες χρήσης πυριτίου για την κατασκευή οπτικών κυκλωμάτων δεν έφεραν τα αναμενόμενα αποτελέσματα.
Το γεγονός είναι ότι, λόγω των δομικών χαρακτηριστικών του κενού ζώνης του κρυσταλλικού πλέγματος πυριτίου, ο ανασυνδυασμός φορτίων σε αυτό οδηγεί κυρίως στην απελευθέρωση θερμότητας και όχι στην εκπομπή φωτονίων, η οποία δεν επιτρέπει τη χρήση του για τη δημιουργία λέιζερ ημιαγωγών που είναι πηγές συνεκτικής ακτινοβολίας. Ταυτόχρονα, σε ημιαγωγούς όπως το αρσενίδιο του γαλλίου ή το φωσφίδιο του ινδίου, η ενέργεια ανασυνδυασμού απελευθερώνεται κυρίως με τη μορφή υπέρυθρων φωτονίων, επομένως αυτά τα υλικά μπορούν να χρησιμεύσουν ως πηγές φωτονίων και να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία λέιζερ.
Ένας άλλος λόγος που εμποδίζει τη χρήση του πυριτίου ως υλικού για τη δημιουργία οπτικών κυκλωμάτων είναι ότι το πυρίτιο δεν έχει γραμμικό ηλεκτρο-οπτικό φαινόμενο Pockels, βάσει του οποίου κατασκευάζονται οι παραδοσιακοί γρήγοροι οπτικοί διαμορφωτές. Το φαινόμενο Pockels συνίσταται στην αλλαγή του δείκτη διάθλασης του φωτός σε έναν κρύσταλλο υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Λόγω αυτού του φαινομένου μπορεί να διαμορφωθεί το φως, αφού μια αλλαγή στον δείκτη διάθλασης μιας ουσίας με αντίστοιχο τρόπο οδηγεί σε αλλαγή της φάσης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας.
Το φαινόμενο Pockels εκδηλώνεται μόνο στα πιεζοηλεκτρικά και, λόγω της χαμηλής αδράνειας του, επιτρέπει θεωρητικά τη διαμόρφωση φωτός έως τη συχνότητα των 10 THz. Επιπλέον, λόγω γραμμική εξάρτησημεταξύ του δείκτη διάθλασης και της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, οι μη γραμμικές παραμορφώσεις κατά τη διαμόρφωση του φωτός είναι σχετικά μικρές.
Άλλοι οπτικοί διαμορφωτές βασίζονται σε φαινόμενα όπως η ηλεκτροαπορρόφηση ή η ηλεκτροδιάθλαση του φωτός υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, ωστόσο, αυτά τα φαινόμενα εκφράζονται επίσης ασθενώς σε πυρίτιο.
Η ρύθμιση του φωτός στο πυρίτιο μπορεί να επιτευχθεί με βάση το θερμικό αποτέλεσμα. Δηλαδή, όταν αλλάζει η θερμοκρασία του πυριτίου, αλλάζει ο δείκτης διάθλασής του και ο συντελεστής απορρόφησης φωτός. Ωστόσο, λόγω της παρουσίας υστέρησης, τέτοιοι διαμορφωτές είναι μάλλον αδρανείς και δεν επιτρέπουν τη λήψη ενός ρυθμού διαμόρφωσης υψηλότερο από μερικά kilohertz.
Μια άλλη μέθοδος διαμόρφωσης ακτινοβολίας που βασίζεται σε διαμορφωτές πυριτίου βασίζεται στην επίδραση της απορρόφησης φωτός σε ελεύθερους φορείς (οπές ή ηλεκτρόνια). Αυτή η μέθοδος διαμόρφωσης επίσης δεν επιτρέπει σε κάποιον να αποκτήσει υψηλές ταχύτητες, αφού συνδέεται με τη φυσική κίνηση των φορτίων μέσα στον διαμορφωτή πυριτίου, η οποία από μόνη της είναι μια αδρανής διαδικασία. Ταυτόχρονα, πρέπει να σημειωθεί ότι οι διαμορφωτές πυριτίου με βάση το περιγραφόμενο αποτέλεσμα μπορούν θεωρητικά να διατηρήσουν ρυθμό διαμόρφωσης έως και 1 GHz, αλλά στην πράξη έχουν εφαρμοστεί μέχρι στιγμής διαμορφωτές με ρυθμό έως 20 MHz.
Παρ' όλες τις δυσκολίες χρήσης του πυριτίου ως υλικού για οπτικά κυκλώματα, πρόσφατα έχουν γίνει σημαντικές πρόοδοι προς αυτή την κατεύθυνση. Όπως αποδείχθηκε, το ντόπινγκ του πυριτίου με έρβιο (Er) αλλάζει τη δομή του κενού ζώνης με τέτοιο τρόπο ώστε ο ανασυνδυασμός φορτίου να συνοδεύεται από την εκπομπή φωτονίων, δηλαδή καθίσταται δυνατή η χρήση πυριτίου για τη λήψη λέιζερ ημιαγωγών . Το πρώτο εμπορικό λέιζερ πυριτίου με ντόπινγκ αναπτύχθηκε από την ST Micro-electronics. Επίσης πολλά υποσχόμενη είναι η χρήση συντονίσιμων λέιζερ ημιαγωγών, που αποδεικνύεται από την Intelπίσω το 2002. Τέτοια λέιζερ χρησιμοποιούν ένα συμβολόμετρο Fabry-Perot ως συντονιστή και εκπέμπουν σε πολλές συχνότητες (πολυτροπικές). Για την απομόνωση της μονοχρωματικής ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται ειδικά εξωτερικά φίλτρα με βάση πλέγματα περίθλασης (φίλτρα διασποράς) - εικ. 2.
Ρύζι. 2. Συντονίσιμα λέιζερ με φίλτρα
με βάση τις σχάρες διασποράς
Το προκύπτον σύστημα λέιζερ με έναν εξωτερικό συντονιστή διασποράς καθιστά δυνατό τον συντονισμό του μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Παραδοσιακά, για να επιτευχθεί το απαιτούμενο μήκος κύματος, τα φίλτρα ρυθμίζονται με ακρίβεια σε σχέση με τον συντονιστή.
Η Intel κατάφερε να δημιουργήσει ένα ρυθμιζόμενο λέιζερ που δεν έχει καθόλου κινούμενα μέρη. Αποτελείται από ένα φθηνό λέιζερ πολλαπλών λειτουργιών με ένα πλέγμα ενσωματωμένο μέσα σε έναν κυματοδηγό. Με την αλλαγή της θερμοκρασίας του πλέγματος, είναι δυνατός ο συντονισμός σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, δηλαδή η εναλλαγή μεταξύ μεμονωμένων λειτουργιών λέιζερ.
Οπτικοί διαμορφωτές πυριτίου
Τον Φεβρουάριο του 2004, η Intel έκανε άλλη μια σημαντική ανακάλυψη στη φωτονική του πυριτίου επιδεικνύοντας τον πρώτο στον κόσμο διαμορφωτή οπτικής φάσης πυριτίου στο 1 GHz.
Αυτός ο διαμορφωτής βασίζεται στην επίδραση της σκέδασης φωτός σε φορείς ελεύθερου φορτίου και στη δομή του είναι από πολλές απόψεις παρόμοιος με ένα τρανζίστορ CMOS που βασίζεται στην τεχνολογία SOI (πυρίτιο σε μονωτή). Η δομή του οπτικού διαμορφωτή φάσης φαίνεται στο σχ. 3.
Ρύζι. 3. Δομικό διάγραμμα διαμορφωτή φάσης οπτικού πυριτίου
Σε ένα υπόστρωμα κρυσταλλικού πυριτίου με ένα στρώμα μονωτή (διοξείδιο του πυριτίου) βρίσκεται ένα στρώμα κρυσταλλικού πυριτίου n-τύπος. Ακολουθεί ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου, στο κέντρο του οποίου βρίσκεται ένα στρώμα πολυκρυσταλλικού πυριτίου Π-τύπος, που εκτελεί τη λειτουργία ενός κυματοδηγού. Αυτό το στρώμα διαχωρίζεται από το κρυσταλλικό πυρίτιο n-πληκτρολογήστε το λεπτότερο στρώμα μονωτή (διηλεκτρικό πύλη), το πάχος του οποίου είναι μόνο 120 angstroms. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η σκέδαση φωτός λόγω της επαφής του μετάλλου, οι μεταλλικές επαφές διαχωρίζονται από το στρώμα οξειδίου του πυριτίου με ένα λεπτό στρώμα πολυκρυσταλλικού πυριτίου και στις δύο πλευρές του κυματοδηγού.
Όταν εφαρμόζεται θετική τάση στο ηλεκτρόδιο πύλης, προκαλείται φορτίο και στις δύο πλευρές του διηλεκτρικού της πύλης και στην πλευρά του κυματοδηγού (πολυκρυσταλλικό πυρίτιο Π-τύπου) πρόκειται για τρύπες, και από την πλευρά του πυριτίου n-τύπου - ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Με την παρουσία ελεύθερων φορτίων στο πυρίτιο, ο δείκτης διάθλασης του πυριτίου αλλάζει. Μια αλλαγή στον δείκτη διάθλασης προκαλεί, με τη σειρά του, μια μετατόπιση φάσης του μεταδιδόμενου κύματος φωτός.
Ο διαμορφωτής που εξετάστηκε παραπάνω καθιστά δυνατή την παραγωγή διαμόρφωσης φάσης του σήματος αναφοράς. Προκειμένου να μετατραπεί η διαμόρφωση φάσης σε διαμόρφωση πλάτους (ένα σήμα που διαμορφώνεται σε φάση είναι δύσκολο να ανιχνευθεί απουσία σήματος αναφοράς), ο οπτικός διαμορφωτής χρησιμοποιεί επιπλέον ένα συμβολόμετρο Mach-Zender (MZI), το οποίο έχει δύο βραχίονες, καθένας από τους οποίους ενσωματώνει έναν οπτικό διαμορφωτή φάσης (Εικ. . τέσσερα).
Ρύζι. 4. Μπλοκ διάγραμμα του οπτικού διαμορφωτή
Η χρήση οπτικών διαμορφωτών φάσης και στους δύο βραχίονες του συμβολόμετρου καθιστά δυνατή τη διασφάλιση της ισότητας των οπτικών μηκών των βραχιόνων των συμβολομέτρων.
Το κύμα φωτός αναφοράς που διαδίδεται κατά μήκος της οπτικής ίνας διαιρείται από έναν διαχωριστή Υ σε δύο συνεκτικά κύματα, καθένα από τα οποία διαδίδεται κατά μήκος ενός από τους βραχίονες του συμβολόμετρου. Εάν και τα δύο κύματα βρίσκονται σε φάση στο σημείο σύνδεσης των βραχιόνων συμβολόμετρου, τότε ως αποτέλεσμα της προσθήκης αυτών των κυμάτων θα ληφθεί το ίδιο κύμα (παραμελούμε τις απώλειες σε αυτή την περίπτωση) όπως πριν από το συμβολόμετρο (δομική παρεμβολή). Εάν τα κύματα προστεθούν σε αντιφάση (καταστροφική παρεμβολή), τότε το σήμα που προκύπτει θα έχει μηδενικό πλάτος.
Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει διαμόρφωση εύρουςφέρον σήμα - εφαρμόζοντας τάση σε έναν από τους διαμορφωτές φάσης, η φάση του κύματος σε έναν από τους βραχίονες του συμβολόμετρου αλλάζει σε nή δεν αλλάζουν καθόλου, παρέχοντας έτσι μια προϋπόθεση για καταστροφικές ή εποικοδομητικές παρεμβολές. Έτσι, εφαρμόζοντας μια τάση στον διαμορφωτή φάσης με μια συχνότητα φά, είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί διαμόρφωση πλάτους του σήματος με την ίδια συχνότητα φά.
Όπως αναφέρθηκε ήδη, ο οπτικός διαμορφωτής πυριτίου της Intel, που παρουσιάστηκε τον Φεβρουάριο του 2004, ήταν ικανός να διαμορφώνει την ακτινοβολία σε ταχύτητα 1 GHz. Στη συνέχεια, τον Απρίλιο του 2005, η Intel παρουσίασε έναν διαμορφωτή που λειτουργεί σε συχνότητα 10 GHz.
Raman συνεχές λέιζερ πυριτίου
Τον Φεβρουάριο του 2005, η Intel ανακοίνωσε μια άλλη τεχνολογική ανακάλυψη - τη δημιουργία ενός λέιζερ πυριτίου συνεχούς κύματος με βάση το φαινόμενο Raman.
Το φαινόμενο Raman χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό και χρησιμοποιείται ευρέως για τη δημιουργία ενισχυτών φωτός και λέιζερ που βασίζονται σε οπτικές ίνες.
Η αρχή λειτουργίας τέτοιων συσκευών είναι η εξής. Η ακτινοβολία λέιζερ (ακτινοβολία αντλίας) με μήκος κύματος εγχέεται σε μια οπτική ίνα (Εικ. 5). Σε μια οπτική ίνα, τα φωτόνια απορροφώνται από τα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος, τα οποία, ως αποτέλεσμα, αρχίζουν να «ταλαντεύονται» (σχηματίζονται φωνόνια δόνησης) και, επιπλέον, σχηματίζονται φωτόνια με χαμηλότερη ενέργεια. Δηλαδή την απορρόφηση κάθε φωτονίου με μήκος κύματος l=1,55mmοδηγεί στο σχηματισμό ενός φωνονίου και ενός φωτονίου με μήκος κύματος l=1,63 mm.
Ρύζι. 5. Η αρχή λειτουργίας ενός ενισχυτή φωτός λόγω του φαινομένου Raman
Τώρα φανταστείτε ότι υπάρχει επίσης διαμορφωμένη ακτινοβολία που συνδέεται με την ίδια ίνα με την ακτινοβολία της αντλίας και οδηγεί σε διεγερμένη εκπομπή φωτονίων. Ως αποτέλεσμα, η ακτινοβολία της αντλίας σε μια τέτοια ίνα μετατρέπεται σταδιακά σε σήμα, διαμορφωμένη, ενισχυμένη ακτινοβολία, δηλαδή επιτυγχάνεται το αποτέλεσμα της οπτικής ενίσχυσης (Εικ. 6).
Ρύζι. 6. Χρήση του εφέ Raman για ενίσχυση
διαμορφωμένη ακτινοβολία σε οπτική ίνα
Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι μια τέτοια μετατροπή της δέσμης της αντλίας σε ακτινοβολία σήματος και, κατά συνέπεια, η ενίσχυση της ακτινοβολίας σήματος απαιτεί τόσο η ακτινοβολία σήματος όσο και η ακτινοβολία της αντλίας να ταξιδεύουν κατά μήκος της ίνας για αρκετά χιλιόμετρα. Φυσικά, τα σχήματα ενίσχυσης που βασίζονται σε οπτική ίνα πολλών χιλιομέτρων δεν μπορούν να ονομαστούν απλά και φθηνά, με αποτέλεσμα να περιορίζεται σημαντικά η εφαρμογή τους.
Σε αντίθεση με το γυαλί, το οποίο είναι η βάση της οπτικής ίνας, το φαινόμενο Raman στο πυρίτιο είναι 10 χιλιάδες φορές ισχυρότερο και για να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα όπως σε μια οπτική ίνα, αρκεί η ακτινοβολία της αντλίας και η ακτινοβολία σήματος να διαδίδονται μαζί μόνο μερικά εκατοστά . Έτσι, η χρήση του φαινομένου Raman σε πυρίτιο καθιστά δυνατή τη δημιουργία μικροσκοπικών και φθηνών ενισχυτών φωτός ή οπτικών λέιζερ.
Η διαδικασία δημιουργίας ενός οπτικού ενισχυτή πυριτίου, ή λέιζερ Raman, ξεκινά με τη δημιουργία ενός οπτικού κυματοδηγού πυριτίου. Αυτή η τεχνολογική διαδικασία δεν διαφέρει από τη διαδικασία δημιουργίας παραδοσιακών τσιπ CMOS με χρήση υποστρωμάτων πυριτίου, η οποία, φυσικά, αποτελεί τεράστιο πλεονέκτημα, καθώς μειώνει σημαντικά το κόστος της ίδιας της διαδικασίας κατασκευής.
Η ακτινοβολία που τροφοδοτείται σε έναν τέτοιο κυματοδηγό πυριτίου ταξιδεύει μόνο μερικά εκατοστά, μετά από τα οποία (λόγω του φαινομένου Raman) μετατρέπεται πλήρως σε ακτινοβολία σήματος με μεγαλύτερο μήκος κύματος.
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, αποδείχθηκε ότι είναι σκόπιμο να αυξηθεί η ισχύς ακτινοβολίας της αντλίας μόνο μέχρι ένα ορισμένο όριο, καθώς μια περαιτέρω αύξηση της ισχύος δεν οδηγεί σε αύξηση της ακτινοβολίας σήματος, αλλά, αντίθετα, σε την αποδυνάμωσή του. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι η λεγόμενη απορρόφηση δύο φωτονίων, η έννοια της οποίας είναι η εξής. Το πυρίτιο είναι μια οπτικά διαφανής ουσία για υπέρυθρη ακτινοβολία, αφού η ενέργεια των φωτονίων της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι μικρότερη από το διάκενο ζώνης του πυριτίου και δεν αρκεί να μεταφερθούν άτομα πυριτίου σε διεγερμένη κατάσταση με την απελευθέρωση ηλεκτρονίου. Ωστόσο, εάν η πυκνότητα των φωτονίων είναι υψηλή, τότε μπορεί να προκύψει μια κατάσταση όταν δύο φωτόνια συγκρούονται ταυτόχρονα με ένα άτομο πυριτίου. Σε αυτή την περίπτωση, η συνολική τους ενέργεια είναι αρκετή για να μεταφέρει το άτομο με την απελευθέρωση ενός ηλεκτρονίου, δηλαδή το άτομο περνά σε διεγερμένη κατάσταση με την ταυτόχρονη απορρόφηση δύο φωτονίων. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται απορρόφηση δύο φωτονίων.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που παράγονται ως αποτέλεσμα της απορρόφησης δύο φωτονίων, με τη σειρά τους απορροφούν τόσο την αντλία όσο και την ακτινοβολία σήματος, γεγονός που οδηγεί σε ισχυρή εξασθένηση του φαινομένου της οπτικής ενίσχυσης. Κατά συνέπεια, όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς της ακτινοβολίας της αντλίας, τόσο ισχυρότερη είναι η επίδραση της απορρόφησης και απορρόφησης της ακτινοβολίας δύο φωτονίων στα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Η αρνητική συνέπεια της απορρόφησης φωτός με δύο φωτόνια για μεγάλο χρονικό διάστημα εμπόδισε τη δημιουργία ενός λέιζερ πυριτίου συνεχούς κύματος.
Σε ένα λέιζερ πυριτίου που δημιουργήθηκε στο εργαστήριο Intel, για πρώτη φορά, ήταν δυνατό να αποφευχθεί η επίδραση της απορρόφησης ακτινοβολίας δύο φωτονίων, πιο συγκεκριμένα, όχι το ίδιο το φαινόμενο της απορρόφησης δύο φωτονίων, αλλά οι αρνητικές συνέπειές του - η απορρόφηση ακτινοβολίας στα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προκύπτουν. Το λέιζερ πυριτίου είναι μια λεγόμενη δομή PIN (τύπου P - Intrinsic - N-τύπου) (Εικ. 7). Σε μια τέτοια δομή, ένας κυματοδηγός πυριτίου είναι ενσωματωμένος μέσα σε μια δομή ημιαγωγών με περιοχή Ρ και Ν. Μια τέτοια δομή είναι παρόμοια με ένα επίπεδο κύκλωμα τρανζίστορ με αποστράγγιση και πηγή, και ένας κυματοδηγός πυριτίου είναι ενσωματωμένος αντί για πύλη. Ο ίδιος ο κυματοδηγός πυριτίου σχηματίζεται ως μια περιοχή πυριτίου ορθογώνιας διατομής (δείκτης διάθλασης 3,6) που περιβάλλεται από ένα κέλυφος οξειδίου του πυριτίου (δείκτης διάθλασης 1,5). Λόγω αυτής της διαφοράς στους δείκτες διάθλασης του κρυσταλλικού πυριτίου και του οξειδίου του πυριτίου, είναι δυνατό να σχηματιστεί ένας οπτικός κυματοδηγός και να αποφευχθούν οι απώλειες ακτινοβολίας λόγω της εγκάρσιας διάδοσης.
Ρύζι. 7. Δομή PIN ενός λέιζερ πυριτίου συνεχούς κύματος
Χρησιμοποιώντας μια τέτοια κυματική δομή και ένα λέιζερ αντλίας με ισχύ κλασμάτων ενός watt, είναι δυνατό να δημιουργηθεί ακτινοβολία στον κυματοδηγό με πυκνότητα περίπου 25 MW/cm 2, η οποία είναι ακόμη μεγαλύτερη από την πυκνότητα ακτινοβολίας που μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ισχύος. Η ενίσχυση Raman σε μια τέτοια πυκνότητα ακτινοβολίας δεν είναι πολύ υψηλή (της τάξης πολλών ντεσιμπέλ ανά εκατοστό), αλλά αυτή η πυκνότητα είναι αρκετά επαρκής για την εφαρμογή ενός λέιζερ.
Προκειμένου να εξαλειφθεί η αρνητική επίδραση της απορρόφησης ακτινοβολίας στα ελεύθερα ηλεκτρόνια που σχηματίζονται στον κυματοδηγό ως αποτέλεσμα της απορρόφησης δύο φωτονίων, ένας κυματοδηγός πυριτίου τοποθετείται ανάμεσα σε δύο πύλες. Εάν δημιουργηθεί διαφορά δυναμικού μεταξύ αυτών των πυλών, τότε υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές θα «τραβηχτούν» από τον κυματοδηγό πυριτίου, εξαλείφοντας έτσι τις αρνητικές συνέπειες της απορρόφησης δύο φωτονίων.
Για να σχηματιστεί ένα λέιζερ με βάση αυτή τη δομή PIN, είναι απαραίτητο να προστεθούν δύο κάτοπτρα στα άκρα του κυματοδηγού, ένα από τα οποία πρέπει να είναι ημιδιαφανές (Εικ. 8).
Ρύζι. 8. Σχέδιο συνεχούς λέιζερ πυριτίου
Υβριδικό λέιζερ πυριτίου
Ένα λέιζερ πυριτίου συνεχούς κύματος που βασίζεται στο φαινόμενο Raman βασικά προϋποθέτει την παρουσία μιας εξωτερικής πηγής ακτινοβολίας, η οποία χρησιμοποιείται ως ακτινοβολία αντλίας. Υπό αυτή την έννοια, αυτό το λέιζερ δεν επιλύει ένα από τα κύρια προβλήματα της φωτονικής του πυριτίου - την ικανότητα ενσωμάτωσης όλων των δομικών μπλοκ (πηγές ακτινοβολίας, φίλτρα, διαμορφωτές, αποδιαμορφωτές, κυματοδηγοί κ.λπ.) σε ένα ενιαίο τσιπ πυριτίου.
Επιπλέον, η χρήση εξωτερικών πηγών οπτικής ακτινοβολίας (που βρίσκονται έξω από το τσιπ ή ακόμα και στην επιφάνειά του) απαιτεί πολύ υψηλή ακρίβεια ευθυγράμμισης με λέιζερ σε σχέση με τον κυματοδηγό πυριτίου, καθώς μια κακή ευθυγράμμιση πολλών μικρών μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία ολόκληρης της συσκευής. (Εικ. 9). Η απαίτηση ακριβούς προσαρμογής δεν επιτρέπει τη διάθεση αυτής της κατηγορίας συσκευών στη μαζική αγορά και τις καθιστά μάλλον ακριβές. Επομένως, η ευθυγράμμιση ενός λέιζερ πυριτίου σε σχέση με έναν κυματοδηγό πυριτίου είναι ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα στη φωτονική του πυριτίου.
Ρύζι. 9. Όταν χρησιμοποιείτε εξωτερικά λέιζερ, απαιτείται ευθυγράμμιση λέιζερ ακριβείας
και κυματοδηγός
Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί εάν το λέιζερ και ο κυματοδηγός δημιουργηθούν στον ίδιο κρύσταλλο εντός της ίδιας τεχνολογικής διαδικασίας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η δημιουργία ενός υβριδικού λέιζερ πυριτίου μπορεί να θεωρηθεί ότι φέρνει τη φωτονική του πυριτίου σε ένα νέο επίπεδο.
Η αρχή λειτουργίας ενός τέτοιου υβριδικού λέιζερ είναι αρκετά απλή και βασίζεται στις ιδιότητες εκπομπής του φωσφιδίου του ινδίου (InP) και στην ικανότητα του πυριτίου να μεταφέρει το φως.
Η δομή του υβριδικού λέιζερ φαίνεται στο σχ. 10. Το φωσφίδιο του ινδίου, το οποίο δρα ως δραστική ουσία ενός λέιζερ ημιαγωγών, βρίσκεται ακριβώς πάνω από τον κυματοδηγό πυριτίου και χωρίζεται από αυτόν από το λεπτότερο στρώμα διηλεκτρικού (το πάχος του είναι μόνο 25 ατομικές στρώσεις) - οξείδιο του πυριτίου, το οποίο είναι " διαφανές» για την παραγόμενη ακτινοβολία. Όταν εφαρμόζεται τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων, εμφανίζεται μια ροή ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση από τα αρνητικά ηλεκτρόδια προς τα θετικά. Ως αποτέλεσμα, ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από την κρυσταλλική δομή του φωσφιδίου του ινδίου. Κατά το πέρασμα ηλεκτρικό ρεύμαμέσω του φωσφιδίου του ινδίου, ως αποτέλεσμα της διαδικασίας ανασυνδυασμού οπών και ηλεκτρονίων, προκύπτουν φωτόνια, δηλαδή ακτινοβολία. Αυτή η ακτινοβολία εισέρχεται απευθείας στον κυματοδηγό πυριτίου.
Ρύζι. 10. Δομή λέιζερ υβριδικού πυριτίου
Η περιγραφείσα δομή του λέιζερ πυριτίου δεν απαιτεί πρόσθετη ρύθμιση του λέιζερ σε σχέση με τον κυματοδηγό πυριτίου, αφού η αμοιβαία διευθέτησή τους μεταξύ τους υλοποιείται και ελέγχεται απευθείας κατά τον σχηματισμό της μονολιθικής δομής του υβριδικού λέιζερ.
Η διαδικασία παραγωγής ενός τέτοιου υβριδικού λέιζερ χωρίζεται σε πολλά κύρια στάδια. Αρχικά, σε ένα «σάντουιτς» που αποτελείται από ένα στρώμα πυριτίου, ένα στρώμα μόνωσης (οξείδιο του πυριτίου) και ένα άλλο στρώμα πυριτίου, σχηματίζεται μια δομή κυματοδηγού με χάραξη (Εικ. 11) και αυτό το τεχνολογικό στάδιο παραγωγής δεν διαφέρει από εκείνες οι διαδικασίες που χρησιμοποιούνται κατά την παραγωγή μικροτσίπ.
Ρύζι. 11. Σχηματισμός δομής κυματοδηγού σε πυρίτιο
Στη συνέχεια, στην επιφάνεια του κυματοδηγού, είναι απαραίτητο να σχηματιστεί μια κρυσταλλική δομή φωσφιδίου του ινδίου. Αντί να χρησιμοποιείται η τεχνολογικά πολύπλοκη διαδικασία ανάπτυξης μιας κρυσταλλικής δομής φωσφιδίου ινδίου σε μια ήδη σχηματισμένη δομή κυματοδηγού, ένα υπόστρωμα φωσφιδίου ινδίου μαζί με ένα στρώμα ημιαγωγού n-ο τύπος διαμορφώνεται ξεχωριστά, ο οποίος είναι πολύ απλούστερος και φθηνότερος. Η πρόκληση είναι να συνδεθεί το φωσφίδιο του ινδίου με τη δομή του κυματοδηγού.
Για να γίνει αυτό, τόσο η δομή των κυματοδηγών πυριτίου όσο και το υπόστρωμα φωσφιδίου του ινδίου υποβάλλονται στη διαδικασία οξείδωσης σε ένα πλάσμα οξυγόνου χαμηλής θερμοκρασίας. Ως αποτέλεσμα αυτής της οξείδωσης, σχηματίζεται ένα φιλμ οξειδίου με πάχος μόνο 25 ατομικών στρωμάτων στην επιφάνεια και των δύο υλικών (Εικ. 12).
Ρύζι. 12. Υπόστρωμα φωσφιδίου ινδίου
με σχηματισμένο στρώμα οξειδίου
Όταν δύο υλικά θερμαίνονται και συμπιέζονται το ένα πάνω στο άλλο, το στρώμα οξειδίου λειτουργεί ως διαφανής κόλλα, εξασφαλίζοντας τη σύντηξή τους σε έναν ενιαίο κρύσταλλο (Εικ. 13).
Ρύζι. 13. «Κόλληση» της δομής των κυματοδηγών πυριτίου
με υποστήριξη φωσφιδίου ινδίου
Ακριβώς επειδή το λέιζερ πυριτίου του περιγραφόμενου σχεδίου αποτελείται από δύο υλικά κολλημένα μεταξύ τους, ονομάζεται υβριδικό λέιζερ. Μετά τη διαδικασία συγκόλλησης, η περίσσεια του φωσφιδίου του ινδίου αφαιρείται με χάραξη και σχηματίζονται μεταλλικές επαφές.
Η τεχνολογική διαδικασία για την παραγωγή λέιζερ υβριδικού πυριτίου καθιστά δυνατή την τοποθέτηση δεκάδων, ακόμη και εκατοντάδων λέιζερ σε ένα μόνο τσιπ (Εικ. 14).
Ρύζι. 14. Σχέδιο ενός τσιπ που περιέχει τέσσερα
λέιζερ υβριδικού πυριτίου
Το πρώτο τσιπ, που παρουσίασε η Intel μαζί με το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, περιείχε επτά λέιζερ υβριδικού πυριτίου (Εικ. 15).
Ρύζι. 15. Ακτινοβολία επτά λέιζερ υβριδικού πυριτίου,
φτιαγμένο σε ένα μόνο τσιπ
Αυτά τα υβριδικά λέιζερ λειτουργούν σε μήκος κύματος 1577 nm σε ρεύμα κατωφλίου 65 mA με ισχύ εξόδου έως 1,8 mW.
Επί του παρόντος, το λέιζερ υβριδικού πυριτίου είναι λειτουργικό σε θερμοκρασίες κάτω των 40 °C, αλλά στο μέλλον σχεδιάζεται να αυξηθεί η θερμοκρασία λειτουργίας στους 70 °C και να μειωθεί το ρεύμα κατωφλίου στα 20 mA.
Το μέλλον της φωτονικής πυριτίου
Η ανάπτυξη ενός υβριδικού λέιζερ πυριτίου θα μπορούσε να έχει εκτεταμένες επιπτώσεις στη φωτονική του πυριτίου και να χρησιμεύσει ως Αφετηρίαγια την εποχή των υπολογιστών υψηλής απόδοσης.
Στο εγγύς μέλλον, δεκάδες λέιζερ πυριτίου, διαμορφωτές και ένας πολυπλέκτης θα ενσωματωθούν στο τσιπ, που θα επιτρέψουν τη δημιουργία οπτικών καναλιών επικοινωνίας με ένα terabit διακίνηση(Εικ. 16).
Ρύζι. 16. Τσιπ του οπτικού καναλιού επικοινωνίας,
που περιέχει δεκάδες λέιζερ πυριτίου,
φίλτρα, διαμορφωτές και πολυπλέκτης
«Χάρη σε αυτή την εξέλιξη, θα είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε χαμηλού κόστους οπτικούς διαύλους δεδομένων με εύρος ζώνης terabit για τους υπολογιστές του μέλλοντος. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να φέρουμε μια νέα εποχή υπολογιστών υψηλής απόδοσης πιο κοντά», δήλωσε ο Mario Paniccia, Διευθυντής του Εργαστηρίου Τεχνολογίας Photonics στην Intel Corporation. «Παρά το γεγονός ότι η εμπορική χρήση αυτής της τεχνολογίας είναι ακόμα πολύ μακριά, είμαστε βέβαιοι ότι δεκάδες, ακόμη και εκατοντάδες λέιζερ υβριδικού πυριτίου, καθώς και άλλα εξαρτήματα που βασίζονται σε φωτονική πυριτίου, μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα μόνο τσιπ πυριτίου».