Az elmúlt 2007 nagyon sikeres év volt számos Intel technológia fejlesztése szempontjából, beleértve a szilíciumfotonika területén alkalmazottakat is. Az Intel legfrissebb áttörést ezen a téren elért eredményeit az MIT Technology Review magazin egy háromszoros futamgyőzelemhez hasonlította - így értékelték a vezető kiadvány bírálói a cég hivatalos bejelentéseinek sorát. Ahogy Justin Rattner technológiai igazgató és az Intel vállalati technológiai csoportjának vezetője elmondta: „Empírikusan bebizonyítottuk, hogy a szilícium CMOS fejlesztési technológiával kompatibilis gyártási technológiák lehetővé teszik félvezető optikai eszközök létrehozását.
Ennek bizonyítása óriási eredmény volt, de nem kevésbé jelentős lépésekre van szükség ennek a technológiai iránynak a továbbfejlesztéséhez. Most meg kell tanulnunk, hogyan integrálhatunk szilícium fotonikai eszközöket szabványos számítógép-alkatrészekbe; erre még nem vagyunk képesek. Ugyanakkor továbbra is aktívan együttműködünk a fejlesztési osztályokkal különféle fajták termékeket kínálunk a gyártóknak a félvezető fotonika Intel-megoldásokban történő használatához."
A szilícium fotonika mint eszköz a szűk keresztmetszetek kiküszöbölésére a tera számítástechnika korszaka felé vezető úton
A szilícium fotonika a legfontosabb összetevő a Corporate Technology Group hosszú távú fejlesztési stratégiája, melynek célja a tera számítástechnikára való átállás felgyorsítása. A lényeg az, hogy fejlesztésként többmagos processzorok A hatalmas számítási teljesítménynek köszönhetően a mérnökök új kihívásokkal néznek szembe. Például a memória és a processzor közötti adatátviteli sebesség iránti igény hamarosan túllépi a rézvezetők által szabott fizikai határokat, és az elektromos jelek átviteli sebessége kisebb lesz, mint a processzor sebessége. A nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerek teljesítményét még most is gyakran korlátozza a processzor és a memória közötti adatcsere sebessége. A mai adatátviteli technológiákat sokkal kisebb sávszélességre tervezték, mint a fotonikát, és ahogy az adatátviteli távolság növekszik, az átviteli sebesség még alacsonyabb lesz.
Egy prototípus optikai memóriamodul tesztjei azt mutatták, hogy nem elektromossággal, hanem fénnyel lehet elérni a szerver memóriáját
"A számítási platform komponensei közötti adatátviteli sebességet összhangba kell hozni a processzorok sebességével. Ez valóban nagyon fontos feladat. A szilíciumfotonikában látjuk a megoldást erre a problémára, ezért folytatjuk egy kutatási program, amely lehetővé teszi számunkra, hogy elfoglaljuk az élvonalat ezen a területen” – mondta Kevin Kahn, az Intel Corporation kiváló kutatómérnöke.
Az Intel Optika vezető kutatója, Drew Alduino által vezetett csapat optikai kommunikációs rendszert épít a processzor és a memória között. Intel platformok. Már elkészült egy tesztplatform egy teljesen pufferelt FB-DIMM memórián, amelyen elindul és fut. Microsoft Windows. A működő prototípus bizonyítéka annak, hogy a memória a processzorhoz optikai kommunikációs vonalak segítségével a rendszer teljesítményének veszélyeztetése nélkül csatlakoztatható.
Egy ilyen megoldás kereskedelmi változatának elkészítése óriási előnyökkel jár a felhasználók számára. Az optikai kommunikációs rendszerek megszüntetik a memória sávszélességében és a processzorsebességben mutatkozó különbségekből adódó szűk keresztmetszetet, és javítják a számítási platform általános teljesítményét.
A kutatástól a megvalósításig
Az Intel kiváló kutatómérnöke, Mario Paniccia által vezetett Photonics Technology Lab bebizonyította, hogy az optikai kommunikációhoz szükséges összes alkatrész – lézer, modulátor és demodulátor – előállítható félvezetőkből a meglévő gyártási technológiák segítségével. A PTL már bemutatta a kulcsfontosságú szilícium fotonikai komponenseket, amelyek rekordteljesítményűek, beleértve a modulátorokat és a demodulátorokat, amelyek akár 40 Gbps adatátviteli sebességre is képesek.
A félvezető fotonika technológiája hat fő összetevőt igényel:
- fotonokat kibocsátó lézer;
- egy modulátort a fotonáram információfolyammá alakítására a számítási platform elemei közötti átvitelhez;
- hullámvezetők, amelyek „átviteli vonalként” működnek a fotonok rendeltetési helyükre juttatására, valamint multiplexerek a fényjelek kombinálására vagy szétválasztására;
- tok, különösen a PC-k tömeggyártásában alkalmazható összeszerelési technológiák és olcsó megoldások létrehozásához szükséges;
- egy demodulátor információt hordozó fotonfolyamok fogadására és azok inverze - átalakítására számítógép által feldolgozható elektronárammá;
- elektronikus áramkörök vezérelni ezeket az alkatrészeket.
A félvezető technológián alapuló optikai kommunikáció mindezen összetevőinek megvalósítását széles körben elismerik a legfontosabb kutatási problémaként, amelynek megoldása óriási technikai áttöréshez vezet. A PTL már számos világrekordot állított fel nagy teljesítményű eszközök, modulátorok, erősítők és demodulátorok fejlesztésével, amelyek akár 40 Gbps adatátviteli sebességet is biztosítanak. Az elkövetkező öt évben az Intel meg fogja keresni a módokat arra, hogy ezeket az összetevőket tényleges termékekbe integrálja.
A félvezető fotonika terén az Intel már a célba ért. Az optikai elemek integrációjával kapcsolatos kutatás már a tudományos vagy technológiai fejlődés szakaszából a kereskedelmi termékek létrehozásának szakaszába lépett. A kutatócsoport jelenleg azon dolgozik, hogy meghatározza a forradalmi technológián alapuló innovatív termékek tervezésének lehetőségeit és specifikációit. Végül az Intel prototípusokat hoz létre, és szorosan együttműködik a termékfejlesztő csapatokkal, hogy felgyorsítsa az alkalmazást. új technológia.
Saját tevékenysége mellett az Intel Corporation a CTG-n kívül finanszírozza a legígéretesebb kutatásokat ebben az irányban – különösen együttműködik a Santa Barbarai Kaliforniai Egyetemmel, amely hibrid félvezető lézert fejleszt. A PTL laboratóriumában más országok különböző egyetemeinek tehetséges végzettjeit is képezik.
Richard Jones, az Intel vezető optikakutatója szerint: "Jelenleg két kritikus kihívás áll előttünk a hibrid félvezető lézerprojektünkben. Másodszor, kombinálnunk kell egy hibrid lézert, egy nagy sebességű félvezető modulátort és egy multiplexert annak bizonyítására, hogy alapján egyetlen optikai adót hozhat létre gyártástechnológia CMOS kompatibilis".
A szilícium fotonikai technológiák bevezetése magában foglalja a lézerek nagyüzemi gyártásához szükséges új gyártási eljárások kidolgozását. Az Intel Corporation sikere a fotonika területén lehetővé teszi, hogy jelentősen felülmúlja a potenciális versenytársakat. A PTL már mintegy 150 szabadalmat jegyeztetett be. A legrangosabb kiadványok, mint például a Nature, megjegyezték az Intel szakembereinek példátlan eredményeit. Ezenkívül 2007-ben az Intel elnyerte a legígéretesebb új technológiáért járó EE Times ACE-díjat.
A fotonok nyomában
A tranzisztorok gyártásának meglévő, jól bevált és több évtizedes folyamataitól eltérően a félvezető fotonika elemeinek létrehozásának technológiája teljesen új. Megvalósítását bizonyos problémák akadályozzák: eszközök optimalizálása, a tervezés megbízhatóságának növelése, tesztelési módszertan, energiahatékonyság biztosítása, szubminiatűr eszközök fejlesztése.
Az új komponensek gyakorlatba ültetéséhez a PTL-nek biztosítania kell, hogy az optikai alkatrészek megfeleljenek a számítástechnikai iparban alkalmazott rendkívül magas megbízhatósági kritériumoknak. Az optikai iparban évtizedek óta szigorú megbízhatósági szabványokat dolgoztak ki. Ezek szerint az új termékek sorozatgyártásának megkezdése előtt hónapokig tartó tesztelés szükséges. Ha a hosszadalmas tesztek során problémákat észlelnek, ezek kijavítása és újbóli tesztelése jelentősen késleltetheti a termék piacra kerülését.
Az egyik legfontosabb probléma az optimalizálás, mivel a PTL laboratórium optikai eszközöket fejleszt tömegszámításhoz. Bár nincs más hasonló termék, szabvány vagy más benchmark, az új folyamatot kidolgozó mérnökökön múlik, hogy megtalálják a számítógépes alkalmazások igényeinek leginkább megfelelő megoldásokat.
Jelenleg a fotoelektronikai mércével mérve viszonylag kicsi PTL kutatócsoport fokozatosan átáll a félvezető fotonikai megoldások kereskedelmi forgalomba hozatalára, és arra számít, hogy ennek a hihetetlen technológiának a tömeges megvalósítása már 2010-ben megkezdődhet.
A Digital Enterprise Group (DEG) optikai szakértőiből álló csapat Victor Krutul vezetésével olyan alkalmazásokat fejleszt, amelyek megalapozzák a feltörekvő technológiát. "Úgy gondoljuk, hogy az Intel termékei továbbra is megfelelnek a Moore-törvénynek az optikai kommunikáció fejlesztése révén" - mondja Krutal.
Mikor kell információt átvinni ugyanazon számítási platform összetevői között és között különböző rendszerek nem elektronokat, hanem fotonokat használnak majd, megvalósul a következő számítógépes forradalom. A világ vezető elektronikai gyártói már most is csatlakoznak ehhez a nyerési versenyhez versenyelőnyök. Egy új technológia jelentősége egy találmányhoz hasonlítható integrált áramkörök. Az Intel élen jár ebben a kutatásban és a félvezető fotonikai komponensek fejlesztésében.
hírek Elektronikai hírekSzilícium fotonika: a fény helyettesíti az elektromosságot?
A teljesen félvezető CW lézer megoldja a kétfoton abszorpció korábban megoldhatatlan problémáját
A mikroelektronika már most is fizikai korlátokkal (atomi szinten) szembesül az elektromos jelek mikroáramkörök közötti átvitelében. Lehetséges megoldás Ez a probléma a nem hagyományos technológiák, különösen a szilíciumfotonika fejlődése lehet.
Az Intel már sok olyan struktúrát készített, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a fény segítségével a chipek közötti jelzéseket olyan egyszerűvé tegye, mint az elektronok. Ennek fő problémája a megfelelő fényforrás hiánya volt. A közelmúltban az Intel új áttörést jelentett be ezen a területen, az első teljesen félvezető folyamatos hullámú lézert, amely a Raman-effektusnak nevezett fizikai jelenséget használja (a kvantummechanikában a Raman-effektust a szóródó molekulák és a beeső fény közötti energiacsereként írják le), és szabványos kereskedelmi CMOS-kristályok felhasználásával készült.
A félvezetők erejét felhasználva az Intel kutatóinak sikerült megvalósítaniuk egy hagyományos, terjedelmes, üveget használó Raman-lézer funkcionalitását, amely jellemzően egy bőrönd méretű, úgy, hogy egy szilícium lapkán egyetlen sáv vastagságára zsugorította azt.
Ez az áttörés a szilíciumfotonikában praktikus és megfizethető megoldásokhoz vezet a kommunikáció és a számítástechnika területén, új orvosi berendezések és érzékelők létrehozásához, valamint a hangolható félvezető lézer helyettesítheti a több száz és több ezer dollárba kerülő elődeit. Ez az eredmény a mikroáramkörök és az áramkörök közötti új optikai összeköttetések létrehozásának felgyorsulásához is vezethet. külső eszközök, mert A vékony optikai szálak kevesebb helyet foglalnak el, mint az elektromos kábelek, és jobb hűtési feltételeket biztosítanak a számítógépek és szerverek számára.
A félvezető lézeres bemutató lapkát szabványos CMOS technológiával gyártották egy meglévő gyártósoron. Ez azt jelenti, hogy ezeknél az új technológiáknál a laboratóriumtól a gyártásig vezető út nem lehet hosszú és bonyolult, mint egyes nem hagyományos technológiák esetében, hanem inkább közvetlen és gyors.
A tíz éves kutatás eredményeként létrejött szilícium-fotonikus chip fényimpulzusok segítségével akár 100 Gbps sebességgel is képes adatátvitelre. A tesztelés során az átviteli távolság elérte a két kilométert.
A Light gyorsabb adatátvitelt tesz lehetővé, mint a tárolórendszereket, hálózati berendezéseket és szervereket összekötő rézkábelek az adatközpontokban. A szilícium-fotonikus chip lehetővé teszi a jövő generációk szervereinek és szuperszámítógépeinek összekapcsolását nagy sebességű száloptikai kapcsolatokkal, amelyekben hatalmas mennyiségű adatot kell átvinni a számítási csomópontok között.
Az IBM azzal a várakozással fejleszti technológiáját, hogy az adatközpontban is fejlődni fog, a PC-kben vagy a kézi eszközökben pedig erre nem kell egyhamar számítani – mondta Wilfrid Hensch, az IBM szilíciumfotonikai részlegének vezető menedzsere.
A szilícium fotonika technológia forradalmasíthatja a szerverek adatközpontokban történő telepítését azáltal, hogy elválasztja egymástól a feldolgozási, memória- és tárolási blokkokat. Ennek a szétkapcsolásnak köszönhetően az alkalmazások gyorsabban futhatnak, és a ventilátorok és tápegységek összevonásával csökkenthetők az alkatrészek költségei.
A gépi tanulási rendszerek és a Big Data feldolgozás használatának növekedése miatt manapság az igény számítási teljesítmény szerverek. Az optikai összeköttetésekkel több tucat processzor tud együttműködni egyen belül szerver rack, ami megkönnyítené a feladatok elosztását a több csomópontos feldolgozáshoz – mondta Richard Doherty, a The Envisioneering Group kutatási igazgatója.
Az optikai összeköttetésekkel a szerverek, a tárolómeghajtókhoz hasonlóan, megszakítás nélkül, a feldolgozási teljesítményigénytől függően egyszerűen kicserélhetők – tette hozzá.
A fényt már használják nagy távolságú adatátvitelre a kommunikációs hálózatokban, de a száloptikai technológiák nem olcsók. Az optikai kábeleket a Thunderbolt interfész is támogatja, amelyet Mac-eken és PC-ken használnak a perifériákkal való nagy sebességű kommunikációhoz.
Az IBM szilícium fotonikai technológiája olcsóbb, és rövidebb távolságra tervezték, mint az optikai távközlési berendezések, mondja Hensch.
Az Intel szilícium-fotonikai chipeket is készített az adatközponthoz, de a vállalat nem tudta betartani a bejelentett megjelenési dátumokat. Lehet, hogy nem az IBM az első, aki szilícium-foton adót kínál, de technológiája életképesebb és kevésbé bonyolult, mint az Intelé, mondta Doherty.
Elmondása szerint az IBM chip egyszerűbb és olcsóbb a gyártása és megvan egyszerű szerkezet, míg az Intel megoldáshoz további fizikai összetevőkre van szükség.
Maga az Intel azonban azt állítja, hogy optikai moduljai integráltak, és előnyei vannak a tesztelés és a költségek tekintetében.
A két cég chipjei teljesen eltérő módon továbbítják az adatokat, és mindegyiknek megvannak a maga előnyei. Az IBM chipet úgy tervezték, hogy egyetlen szálon sugározzon négy különböző hullámhosszú csatornán, míg Intel technológia jobban skálázódik, így több szálat enged a kábelbe – mutatott rá Doherty.
Az Intel legfeljebb 64 szálból álló MXC optikai kábelekkel rendelkezik, mindegyik 25 Gbps átviteli sebességgel. A szálak számának növelése azonban költségekkel járhat, és az IBM egyszálas opciója alacsonyabb költséggel kielégítheti számos adatközpont követelményeit a sebesség és a távolság tekintetében – tette hozzá Doherty.
Az IBM nem határozta meg, hogy szilícium-fotonikai chipjei mikor léphetnek piacra.
Idén szeptember 18-án az Intel a Santa Barbarai Kaliforniai Egyetemmel közösen bemutatta a világ első elektromosan szivattyúzott hibrid szilíciumlézerét, amely egyesíti a fényt szilícium hullámvezetőn keresztül történő kibocsátását és terjesztését, valamint kihasználja az alacsony költséget. a szilíciumgyártásról.. A hibrid szilíciumlézer megalkotása újabb lépés a több tucat, sőt több száz olcsó lézert tartalmazó szilícium chipek beszerzése felé, amelyek a jövőben a számítógépes elektronika alapját képezik.
A szilícium fotonika története
A szilícium fotonika az Intel Corporation kutatási tevékenységének egyik fő iránya. A cég következő áttörése ezen a területen a világ első elektromosan szivattyúzott hibrid szilíciumlézerének megalkotása volt.
Valójában most megnyílt az út az optikai erősítők, lézerek és fényhullámhossz-átalakítók létrehozása előtt a szilícium mikroáramkörök gyártására szolgáló jól bevált technológiával. Fokozatosan a fotonika "szilíkonizálása" valósággá válik, és a jövőben lehetővé teszi olyan alacsony költségű, nagy teljesítményű optikai áramkörök létrehozását, amelyek lehetővé teszik a PC-n belül és kívül egyaránt adatcserét.
Az optikai kommunikációs rendszereknek vannak bizonyos előnyei a hagyományos kábelrendszerekkel szemben, amelyek közül a legfontosabb a hatalmas sávszélességük. Például a kommunikációs rendszerekben manapság használt optikai szálak akár 128 különböző adatfolyamot is képesek egyidejűleg továbbítani. Az optikai szálon keresztüli adatátvitel elméleti határa 100 billió bit/másodperc. Ennek a hatalmas adatnak a bemutatásához tegyünk egy egyszerű összehasonlítást: ez a sávszélesség elegendő az átvitel biztosításához telefonbeszélgetések egyszerre a bolygó összes lakója. Ezért teljesen érthető, hogy az optikai kommunikációs rendszerek minden kutatólaboratórium kiemelt figyelmet szentelnek.
A fénysugárzással történő információtovábbításhoz több kötelező komponensre van szükség: sugárforrásokra (lézerekre), fényhullám-modulátorokra, amelyeken keresztül az információ beágyazódik a fényhullámba, detektorok és optikai szálak az adatátvitelhez.
Több, különböző hullámhosszú hullámokat kibocsátó lézer és modulátor segítségével egyetlen optikai szálon keresztül sok adatfolyam egyidejű továbbítása lehetséges. A vevő oldalon az információfeldolgozáshoz optikai demultiplexert használnak, amely a különböző hullámhosszú vivőket választja el a bejövő jeltől, valamint optikai detektorokat, amelyek lehetővé teszik az optikai jelek elektromos jelekké alakítását. Szerkezeti sémaábrán látható optikai kommunikációs rendszer. egy.
Rizs. 1. Optikai kommunikációs rendszer szerkezeti diagramja
Az optikai kommunikációs rendszerek és optikai áramkörök kutatása még az 1970-es években kezdődött – akkor az optikai áramköröket valamiféle optikai processzorként vagy szuperoptikai chipként mutatták be, amelyben egy adóeszköz, egy modulátor, egy erősítő, egy detektor, ill. minden szükséges Elektromos alkatrészek. Ennek a gondolatnak a gyakorlati megvalósítását azonban nehezítette, hogy az optikai áramkörök alkatrészei ebből készültek különböző anyagok, ezért egyetlen szilícium alapú platformba (chipbe) integrálható szükséges alkatrészeket lehetetlen volt. Annak ellenére, hogy a szilícium diadalmaskodott az elektronika területén, az optikában való alkalmazása erősen kétségesnek tűnt.
A szilícium optikai áramkörökben való felhasználásának lehetőségének tanulmányozása évek óta – az 1980-as évek második felétől – folyik. Ez idő alatt azonban kevés előrelépés történt. Más anyagokkal összehasonlítva a szilícium optikai áramkörök építésére tett kísérletei nem hozták meg a várt eredményeket.
A helyzet az, hogy a szilícium kristályrácsának sávközének szerkezeti jellemzői miatt a benne lévő töltések rekombinációja elsősorban hőkibocsátáshoz vezet, nem pedig fotonok kibocsátásához, ami nem teszi lehetővé, hogy létrehozzák. félvezető lézerek, amelyek koherens sugárzás forrásai. Ugyanakkor az olyan félvezetőkben, mint a gallium-arzenid vagy az indium-foszfid, a rekombinációs energia főként infravörös fotonok formájában szabadul fel, ezért ezek az anyagok fotonforrásként szolgálhatnak, és lézerek előállítására is felhasználhatók.
A szilícium optikai áramkörök létrehozására szolgáló anyagként való felhasználását akadályozó másik ok, hogy a szilíciumnak nincs lineáris elektro-optikai Pockels effektusa, amelyre a hagyományos gyors optikai modulátorok épülnek. A Pockels-effektus a fény törésmutatójának megváltoztatásából áll egy kristályban alkalmazott elektromos tér hatására. Ennek a hatásnak köszönhető, hogy a fény modulálható, mivel az anyag törésmutatójának megfelelő változása az átvitt sugárzás fázisának megváltozásához vezet.
A Pockels-effektus csak piezoelektromos technikában nyilvánul meg, és alacsony tehetetlensége miatt elméletileg 10 THz-es frekvenciáig teszi lehetővé a fénymodulációt. Ezen túlmenően, mivel lineáris függőség a törésmutató és az elektromos térerősség között a fénymoduláció során fellépő nemlineáris torzulások viszonylag kicsik.
Más optikai modulátorok olyan hatásokon alapulnak, mint a fény elektro-abszorpciója vagy elektro-törése alkalmazott elektromos tér hatására, azonban ezek a hatások is gyengén kifejeződnek a szilíciumban.
A szilíciumban a fény modulációja a hőhatás alapján érhető el. Vagyis a szilícium hőmérsékletének változásával a törésmutatója és a fényelnyelési együtthatója megváltozik. Ennek ellenére a hiszterézis jelenléte miatt az ilyen modulátorok meglehetősen közömbösek, és nem teszik lehetővé néhány kilohertznél nagyobb modulációs sebesség elérését.
A szilícium modulátorokon alapuló sugárzás moduláció egy másik módszere a fényelnyelés szabad hordozókra (lyukak vagy elektronok) gyakorolt hatásán alapul. Ez a modulációs módszer sem teszi lehetővé a megszerzését nagy sebességek, mivel ez a szilícium modulátoron belüli töltések fizikai mozgásához kapcsolódik, ami önmagában is inert folyamat. Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy a leírt hatáson alapuló szilícium modulátorok elméletileg akár 1 GHz-es modulációs sebességet is képesek fenntartani, a gyakorlatban azonban eddig 20 MHz-ig terjedő modulátorokat valósítottak meg.
A szilícium optikai áramkörök anyagaként való felhasználásának nehézségei ellenére a közelmúltban jelentős előrelépések történtek ebben az irányban. Mint kiderült, a szilícium erbiummal (Er) való adalékolása úgy változtatja meg a sávszélesség szerkezetét, hogy a töltésrekombináció foton-emisszióval jár, vagyis lehetővé válik a szilícium felhasználása félvezető lézerek előállítására. . Az első kereskedelmi forgalomban kapható adalékolt szilíciumlézert az ST Micro-electronics fejlesztette ki. Ígéretes a hangolható félvezető lézerek alkalmazása is az Intel által még 2002-ben. Az ilyen lézerek Fabry-Perot interferométert használnak rezonátorként, és több frekvencián (multimode) bocsátanak ki. A monokromatikus sugárzás izolálására speciális, diffrakciós rácsokon alapuló külső szűrőket (diszperziós szűrőket) használnak - 1. ábra. 2.
Rizs. 2. Hangolható lézerek szűrőkkel
diszperziós rácsok alapján
Az így létrejövő lézerrendszer külső diszperziós rezonátorral lehetővé teszi a sugárzás hullámhosszának hangolását. Hagyományosan a szükséges hullámhossz eléréséhez a szűrőket a rezonátorhoz képest finoman beállítják.
Az Intel képes volt létrehozni egy hangolható lézert, amelynek egyáltalán nincsenek mozgó alkatrészei. Egy olcsó multimódusú lézerből áll, hullámvezetőbe ágyazott ráccsal. A rácshőmérséklet változtatásával lehetőség van egy adott hullámhosszra hangolódni, vagyis váltani az egyes lézermódok között.
Szilícium optikai modulátorok
2004 februárjában az Intel újabb áttörést ért el a szilícium fotonikában, bemutatva a világ első 1 GHz-es szilícium optikai fázismodulátorát.
Ez a modulátor a szabad töltéshordozókra kifejtett fényszórás hatásán alapul, és szerkezetében sok tekintetben hasonlít egy SOI (silicon on insulator) technológián alapuló CMOS tranzisztorra. Az optikai fázismodulátor felépítése a 2. ábrán látható. 3.
Rizs. 3. Optikai szilícium fázismodulátor szerkezeti diagramja
Szigetelőréteggel (szilícium-dioxiddal) ellátott kristályos szilícium hordozón egy kristályos szilícium réteg található n-típus. Ezt egy szilícium-dioxid réteg követi, amelynek közepén egy polikristályos szilícium réteg található. p-típusú, amely a hullámvezető funkciót látja el. Ez a réteg elválik a kristályos szilíciumtól n-írja be a legvékonyabb szigetelőréteget (kapu dielektrikum), melynek vastagsága mindössze 120 angström. A fémkontaktus miatti fényszóródás minimalizálása érdekében a fém érintkezőket a hullámvezető mindkét oldalán vékony polikristályos szilíciumréteg választja el a szilícium-oxid rétegtől.
Ha pozitív feszültséget kapcsolunk a kapuelektródára, töltés indukálódik a kapu dielektrikum mindkét oldalán és a hullámvezető oldalon (polikristályos szilícium p-típusú) ezek lyukak, és a szilícium oldaláról n-típusú - szabad elektronok.
A szilíciumban lévő szabad töltések jelenlétében a szilícium törésmutatója megváltozik. A törésmutató változása viszont az áteresztett fényhullám fáziseltolódását okozza.
A fent említett modulátor lehetővé teszi a referenciajel fázismodulációját. Annak érdekében, hogy a fázismodulációt amplitúdómodulációvá alakítsa (a fázisban modulált jel nehezen észlelhető referenciajel hiányában), az optikai modulátor egy Mach-Zender interferométert (MZI) is használ, amelynek két karja van, fázisoptikai modulátort integrál (4. ábra).
Rizs. 4. Az optikai modulátor blokkvázlata
Az interferométer mindkét karjában fázisoptikai modulátorok alkalmazása lehetővé teszi az interferométerek karjainak optikai hosszának egyenlőségét.
Az optikai szál mentén terjedő referencia fényhullámot egy Y-osztó két koherens hullámra osztja, amelyek mindegyike az interferométer egyik karja mentén terjed. Ha mindkét hullám fázisban van az interferométer karjainak találkozási pontjában, akkor ezeknek a hullámoknak az összeadása eredményeként ugyanazt a hullámot kapjuk (a veszteségeket ebben az esetben figyelmen kívül hagyjuk), mint az interferométer előtt (konstruktív interferencia). Ha a hullámokat antifázisban adjuk hozzá (destruktív interferencia), akkor a kapott jel amplitúdója nulla lesz.
Ez a megközelítés lehetővé teszi amplitúdó moduláció vivőjel - feszültséget kapcsolva az egyik fázismodulátorra, a hullám fázisa az interferométer egyik karjában megváltozik n vagy egyáltalán nem változnak, így feltételt biztosítanak a destruktív vagy építő beavatkozásnak. Így feszültséget adunk a fázismodulátorra frekvenciával f, lehetőség van a jel azonos frekvenciájú amplitúdómodulációjára f.
Mint már említettük, az Intel szilícium optikai modulátora, amelyet 2004 februárjában mutattak be, 1 GHz-es sugárzás modulálására volt képes. Ezt követően 2005 áprilisában az Intel bemutatott egy 10 GHz-es frekvencián működő modulátort.
Raman folyamatos szilíciumlézer
2005 februárjában az Intel újabb technológiai áttörést jelentett be: a Raman-effektuson alapuló folyamatos hullámú szilíciumlézer létrehozását.
A Raman-effektust meglehetősen régóta használják, és széles körben használják fényerősítők és optikai szálakon alapuló lézerek létrehozására.
Az ilyen eszközök működési elve a következő. A hullámhosszú lézersugárzást (pumpasugárzást) egy optikai szálba fecskendezik (5. ábra). Az optikai szálban a fotonokat a kristályrács atomjai abszorbeálják, amelyek ennek eredményeként elkezdenek "lengni" (rezgési fononok képződnek), és emellett alacsonyabb energiájú fotonok képződnek. Vagyis az egyes fotonok egy hullámhosszú abszorpciója l=1,55 mm hullámhosszú fonon és foton kialakulásához vezet l=1,63 mm.
Rizs. 5. Fényerősítő működési elve a Raman-effektus miatt
Most képzeljük el, hogy létezik olyan modulált sugárzás is, amely ugyanabba a szálba kapcsolódik, mint a pumpás sugárzás, és stimulált fotonkibocsátást eredményez. Ennek eredményeként egy ilyen szálban a pumpás sugárzás fokozatosan jellé, modulált, felerősített sugárzássá alakul, vagyis az optikai erősítés hatását érjük el (6. ábra).
Rizs. 6. A Raman-effektus használata a fokozáshoz
modulált sugárzás az optikai szálban
A probléma azonban az, hogy a pumpa nyalábának jelsugárzássá alakításához és ennek megfelelően a jelsugárzás felerősítéséhez az szükséges, hogy mind a jelsugárzás, mind a szivattyú sugárzása több kilométeren keresztül haladjon a szálon. Természetesen a több kilométeres optikai szálon alapuló erősítési sémák nem nevezhetők egyszerűnek és olcsónak, aminek következtében alkalmazásuk jelentősen korlátozott.
Az optikai szál alapját képező üveggel ellentétben a szilíciumban a Raman-effektus 10 ezerszer erősebb, és az optikai szálakkal megegyező eredmény eléréséhez elegendő, ha a szivattyú sugárzása és a jelsugárzás együtt csak néhányszor terjed. centiméter . Így a Raman-effektus szilíciumban való alkalmazása lehetővé teszi miniatűr és olcsó fényerősítők vagy optikai lézerek létrehozását.
A szilícium optikai erősítő vagy Raman lézer létrehozásának folyamata egy optikai szilícium hullámvezető létrehozásával kezdődik. Ez a technológiai eljárás nem különbözik a hagyományos CMOS chipek szilíciumhordozók felhasználásával történő létrehozásának folyamatától, ami természetesen óriási előny, hiszen jelentősen csökkenti magának a gyártási folyamatnak a költségeit.
Az ilyen szilícium hullámvezetőbe betáplált sugárzás mindössze néhány centimétert halad meg, majd (a Raman-effektus miatt) teljesen átalakul hosszabb hullámhosszú jelsugárzássá.
A kísérletek során kiderült, hogy a szivattyú sugárzási teljesítményét csak egy bizonyos határig célszerű növelni, mivel a további teljesítménynövekedés nem a jelsugárzás növekedéséhez vezet, hanem éppen ellenkezőleg, annak gyengülésére. Ennek a hatásnak az oka az úgynevezett kétfoton abszorpció, melynek jelentése a következő. A szilícium optikailag átlátszó anyag infravörös sugárzás, mivel az infravörös fotonok energiája kisebb, mint a szilícium sávköze, és nem elég a szilícium atomokat gerjesztett állapotba vinni egy elektron felszabadulásával. Ha azonban a fotonok sűrűsége nagy, akkor olyan helyzet állhat elő, amikor két foton egyidejűleg ütközik egy szilícium atommal. Ebben az esetben összenergiájuk elegendő az atom átviteléhez egy elektron felszabadulásával, vagyis az atom két foton egyidejű elnyelésével gerjesztett állapotba kerül. Ezt a folyamatot kétfotonos abszorpciónak nevezik.
A kétfotonos abszorpció eredményeként keletkező szabad elektronok viszont mind a pumpa-, mind a jelsugárzást elnyelik, ami az optikai erősítő hatás erős gyengüléséhez vezet. Ennek megfelelően minél nagyobb a szivattyú sugárzási teljesítménye, annál erősebb a kétfotonos abszorpció és a sugárzás abszorpciójának hatása a szabad elektronokra. A kétfotonos fényelnyelés negatív következménye hosszú ideig megakadályozta a folyamatos hullámú szilíciumlézer létrehozását.
Az Intel laboratóriumában megalkotott szilíciumlézerben először sikerült elkerülni a kétfotonos sugárzás abszorpciójának hatását, pontosabban nem magát a kétfotonos abszorpció jelenségét, hanem annak negatív következményeit - az abszorpciót. a keletkező szabad elektronokra ható sugárzás. A szilíciumlézer egy úgynevezett PIN-struktúra (P-típus - Intrinsic - N-típus) (7. ábra). Egy ilyen szerkezetben egy szilícium hullámvezető van beágyazva egy P- és N-régióval rendelkező félvezető szerkezetbe. Az ilyen szerkezet hasonló egy sík tranzisztoros áramkörhöz, amelynek lefolyója és forrása van, és a kapu helyett szilícium hullámvezető van beépítve. Maga a szilícium hullámvezető négyszögletes keresztmetszetű szilícium tartományként (törésmutató 3,6) van kialakítva, amelyet szilícium-oxid héj veszi körül (törésmutató 1,5). A kristályos szilícium és a szilícium-oxid törésmutatóinak e különbségéből adódóan lehetőség nyílik optikai hullámvezető kialakítására és elkerülhető a keresztirányú terjedés miatti sugárzási veszteségek.
Rizs. 7. Folyamatos hullámú szilíciumlézer PIN-szerkezete
Egy ilyen hullámszerkezet és egy watt töredéknyi teljesítményű pumpás lézer segítségével a hullámvezetőben körülbelül 25 MW/cm 2 sűrűségű sugárzást lehet létrehozni, ami még az elérhető sugárzási sűrűségnél is nagyobb. nagy teljesítményű félvezető lézerek felhasználásával. A Raman-erősítés ilyen sugárzási sűrűség mellett nem túl magas (több decibel per centiméter nagyságrendű), de ez a sűrűség elégséges egy lézer megvalósításához.
A kétfotonos abszorpció eredményeként a hullámvezetőben képződő szabad elektronokra gyakorolt sugárzáselnyelés negatív hatásának kiküszöbölése érdekében két kapu közé szilícium hullámvezetőt helyeznek el. Ha ezek között a kapuk között potenciálkülönbség jön létre, akkor elektromos tér hatására szabad elektronok és lyukak „kihúzódnak” a szilícium hullámvezetőből, ezzel kiküszöbölve a kétfotonos abszorpció negatív következményeit.
Ahhoz, hogy ezen a PIN-szerkezeten alapuló lézert hozzunk létre, a hullámvezető végeihez két tükröt kell hozzáadni, amelyek közül az egyiknek félig átlátszónak kell lennie (8. ábra).
Rizs. 8. Folyamatos szilíciumlézer vázlata
Hibrid szilícium lézer
A Raman-effektuson alapuló folyamatos hullámú szilíciumlézer alapvetően külső sugárforrás jelenlétét feltételezi, amit pumpás sugárzásként használnak. Ebben az értelemben ez a lézer nem oldja meg a szilícium fotonika egyik fő problémáját - az összes szerkezeti blokk (sugárforrások, szűrők, modulátorok, demodulátorok, hullámvezetők stb.) egyetlen szilícium chipbe történő integrálásának képességét.
Ezenkívül a külső optikai sugárforrások használata (amelyek a chipen kívül vagy akár annak felületén helyezkednek el) nagyon nagy pontosságú lézerbeállítást igényelnek a szilícium hullámvezetőhöz képest, mivel több mikronos eltolódás az egész eszköz meghibásodásához vezethet. (9. ábra). A pontos beállítás követelménye nem teszi lehetővé ennek az eszközosztálynak a tömegpiacra vitelét, és meglehetősen drágává teszi őket. Ezért a szilícium lézernek a szilícium hullámvezetőhöz való igazítása az egyik legfontosabb probléma a szilícium fotonikában.
Rizs. 9. Külső lézerek használatakor precíziós lézerigazítás szükséges
és hullámvezető
Ez a probléma megoldható, ha a lézert és a hullámvezetőt ugyanabban a kristályban hozzuk létre, ugyanazon technológiai folyamaton belül. Éppen ezért egy hibrid szilíciumlézer megalkotása a szilíciumfotonika új szintre emelésének tekinthető.
Az ilyen hibrid lézer működési elve meglehetősen egyszerű, és az indium-foszfid (InP) kibocsátó tulajdonságain és a szilícium fényvezető képességén alapul.
A hibrid lézer felépítése az ábrán látható. 10. Az indium-foszfid, amely a félvezető lézer hatóanyagaként működik, közvetlenül a szilícium hullámvezető felett helyezkedik el, és a legvékonyabb dielektrikumréteg választja el tőle (vastagsága mindössze 25 atomréteg) - szilícium-oxid, amely " átlátszó" a keletkezett sugárzás számára. Ha az elektródák közé feszültséget kapcsolunk, az elektronok áramlása megy végbe a negatív elektródáktól a pozitív felé. Ennek eredményeként elektromos áram halad át az indium-foszfid kristályszerkezetén. Elhaladáskor elektromos áram az indium-foszfidon keresztül a lyukak és elektronok rekombinációs folyamatának eredményeként fotonok keletkeznek, azaz sugárzás. Ez a sugárzás közvetlenül belép a szilícium hullámvezetőbe.
Rizs. 10. Hibrid szilíciumlézer felépítése
A szilíciumlézer leírt felépítése nem igényli a lézer további beállítását a szilícium hullámvezetőhöz képest, mivel ezek egymáshoz viszonyított elrendezése közvetlenül a hibrid lézer monolitikus szerkezetének kialakítása során valósul meg és szabályozható.
Egy ilyen hibrid lézer gyártási folyamata több fő szakaszra oszlik. Kezdetben egy szilíciumrétegből, egy szigetelőrétegből (szilícium-oxid) és egy másik szilíciumrétegből álló „szendvicsben” maratással hullámvezető szerkezetet alakítanak ki (11. ábra), és ez a gyártástechnológiai szakasz nem tér el a gyártási folyamattól. azokat a folyamatokat, amelyeket a mikrochipek gyártása során használnak.
Rizs. 11. Hullámvezető szerkezet kialakítása szilíciumban
Ezután a hullámvezető felületén indium-foszfid kristályszerkezetet kell kialakítani. Ahelyett, hogy az indium-foszfid kristályszerkezetet egy már kialakult hullámvezető szerkezeten, egy indium-foszfid szubsztrátumon egy félvezető réteggel együtt egy technológiailag összetett folyamatot alkalmaznánk. n-típus külön van kialakítva, ami sokkal egyszerűbb és olcsóbb. A kihívás az indium-foszfid és a hullámvezető szerkezet összekapcsolása.
Ennek érdekében a szilícium hullámvezetők szerkezetét és az indium-foszfid szubsztrátot is oxidációs folyamatnak vetik alá alacsony hőmérsékletű oxigénplazmában. Ennek az oxidációnak a hatására mindkét anyag felületén mindössze 25 atomi réteg vastagságú oxidfilm képződik (12. ábra).
Rizs. 12. Indium-foszfid szubsztrát
kialakult oxidréteggel
Ha két anyagot hevítünk és egymáshoz nyomunk, az oxidréteg átlátszó ragasztóként működik, biztosítva azok egykristálygá olvadását (13. ábra).
Rizs. 13. Szilícium hullámvezetők szerkezetének "ragasztása".
indium-foszfid hordozóval
Pontosan azért hívják hibrid lézernek a leírt kivitelű szilíciumlézert, amely két egymáshoz ragasztott anyagból áll. A kötési folyamat után az indium-foszfid feleslegét maratással eltávolítják, és fémérintkezőket alakítanak ki.
A hibrid szilíciumlézerek gyártásának technológiai eljárása lehetővé teszi több tucat, sőt több száz lézer elhelyezését egyetlen chipen (14. ábra).
Rizs. 14. Négyet tartalmazó chip vázlata
hibrid szilícium lézer
Az Intel által a Kaliforniai Egyetemmel közösen bemutatott első chip hét hibrid szilíciumlézert tartalmazott (15. ábra).
Rizs. 15. Hét hibrid szilíciumlézer sugárzása,
egyetlen chipen készült
Ezek a hibrid lézerek 1577 nm hullámhosszon, 65 mA küszöbáram mellett működnek, legfeljebb 1,8 mW kimenő teljesítménnyel.
Jelenleg a hibrid szilíciumlézer 40 °C alatti hőmérsékleten üzemel, de a jövőben a tervek szerint az üzemi hőmérsékletet 70 °C-ra emelik, a küszöbáramot pedig 20 mA-re csökkentik.
A szilíciumfotonika jövője
A hibrid szilíciumlézer kifejlesztésének messzemenő hatásai lehetnek a szilíciumfotonikára, és Kiindulópont a nagy teljesítményű számítástechnika korszakához.
A közeljövőben több tucat szilíciumlézer, modulátor és egy multiplexer kerül beépítésre a chipbe, amelyek lehetővé teszik az optikai kommunikációs csatornák terabites kialakítását. áteresztőképesség(16. ábra).
Rizs. 16. Az optikai kommunikációs csatorna chipje,
több tucat szilíciumlézert tartalmaz,
szűrők, modulátorok és multiplexerek
„Ennek a fejlesztésnek köszönhetően olcsó, terabites sávszélességű optikai adatbuszokat készíthetünk majd a jövő számítógépei számára. Ezzel közelebb hozhatjuk a nagy teljesítményű számítástechnika új korszakát” – mondta Mario Paniccia, az Intel Corporation fotonikai technológiai laboratóriumának igazgatója. "Annak ellenére, hogy ennek a technológiának a kereskedelmi felhasználása még nagyon távol van, biztosak vagyunk abban, hogy több tucat, sőt több száz hibrid szilíciumlézer, valamint egyéb szilíciumfotonikán alapuló komponens helyezhető el egyetlen szilícium chipre."