Minulý rok 2007 bol veľmi úspešným rokom pre vývoj mnohých technológií Intel, vrátane tých v oblasti kremíkovej fotoniky. Najnovšie prelomové úspechy Intelu v tejto oblasti porovnal časopis MIT Technology Review s trojnásobným víťazstvom na pretekoch – takto hodnotili recenzenti poprednej publikácie sériu oficiálnych oznámení korporácie. Ako povedal Justin Rattner, technologický riaditeľ a šéf Corporate Technology Group spoločnosti Intel: „Empiricky sme preukázali, že výrobné technológie kompatibilné s vývojovou technológiou kremíkových CMOS umožňujú vytváranie polovodičových optických zariadení.
Dôkazom tohto faktu bol obrovský úspech, no pre ďalší rozvoj tohto technologického smeru sú potrebné nemenej významné kroky. Teraz sa musíme naučiť, ako integrovať kremíkové fotonické zariadenia do štandardných počítačových komponentov; zatiaľ to nedokážeme. Zároveň však naďalej aktívne spolupracujeme s vývojovými oddeleniami rôzne druhy produkty ponúkať výrobcom modely na použitie polovodičovej fotoniky v riešeniach Intel."
Kremíková fotonika ako prostriedok na odstránenie prekážok na ceste do éry tera computingu
Najdôležitejšia je kremíková fotonika komponent dlhodobá stratégia rozvoja Corporate Technology Group zameraná na urýchlenie prechodu na tera computing. Ide o to, že ako vývoj viacjadrové procesory s obrovským výpočtovým výkonom čelia inžinieri novým výzvam. Napríklad potreba rýchlosti prenosu dát medzi pamäťou a procesorom čoskoro prekročí fyzické limity stanovené medenými vodičmi a prenosová rýchlosť elektrických signálov bude nižšia ako rýchlosť procesora. Už teraz je výkon výkonných výpočtových systémov často limitovaný rýchlosťou výmeny dát medzi procesorom a pamäťou. Dnešné technológie prenosu dát sú navrhnuté pre oveľa menšiu šírku pásma ako fotonika a so zväčšujúcou sa vzdialenosťou, na ktorú sa dáta prenášajú, je prenosová rýchlosť ešte nižšia.
Testy prototypu optického pamäťového modulu ukázali, že na prístup k pamäti servera nie je možné použiť elektrinu, ale svetlo
"Je potrebné zosúladiť rýchlosť prenosu dát medzi komponentmi výpočtovej platformy s rýchlosťou procesorov. To je skutočne veľmi dôležitá úloha. Kremíkovú fotoniku vnímame ako riešenie tohto problému, a preto sa snažíme výskumný program, ktorý nám umožňuje obsadiť popredné miesto v tejto oblasti,“ povedal Kevin Kahn, významný výskumný inžinier v spoločnosti Intel Corporation.
Tím vedený hlavným výskumníkom optiky Intel Drew Alduino buduje optický komunikačný systém medzi procesorom a pamäťou platformy Intel. Už bola vytvorená testovacia platforma založená na plne vyrovnávacej pamäti FB-DIMM, na ktorej sa bootuje a beží Microsoft Windows. Funkčný prototyp je dôkazom možnosti pripojenia pamäte k procesoru pomocou optických komunikačných liniek bez zníženia výkonu systému.
Vytvorenie komerčnej verzie takéhoto riešenia má pre používateľov obrovské výhody. Optické komunikačné systémy odstránia úzke miesto spojené s rozdielom v šírke pásma pamäte a rýchlosti procesora a zlepšia celkový výkon výpočtovej platformy.
Od výskumu po realizáciu
Laboratórium Photonics Technology Lab, ktoré vedie významný výskumný inžinier Intel Mario Paniccia, dokázalo, že všetky komponenty pre optickú komunikáciu – laser, modulátor a demodulátor – možno vyrobiť z polovodičov pomocou existujúcich výrobných techník. PTL už demonštrovala kľúčové komponenty kremíkovej fotoniky fungujúce pri rekordnom výkone, vrátane modulátorov a demodulátorov schopných prenosovej rýchlosti až 40 Gbps.
Technológia polovodičovej fotoniky vyžaduje šesť hlavných komponentov:
- laser, ktorý vyžaruje fotóny;
- modulátor na konverziu toku fotónov na informačný tok na prenos medzi prvkami výpočtovej platformy;
- vlnovody, ktoré fungujú ako „prenosové vedenia“ na doručovanie fotónov na miesto určenia, a multiplexory na kombinovanie alebo oddelenie svetelných signálov;
- puzdro, potrebné najmä pre tvorbu montážnych technológií a nízkonákladových riešení, ktoré možno využiť pri sériovej výrobe PC;
- demodulátor na príjem fotónových tokov nesúcich informácie a ich inverznú konverziu na elektrónový tok dostupný na spracovanie počítačom;
- elektronické obvody na ovládanie týchto komponentov.
Implementácia všetkých týchto komponentov optickej komunikácie na báze polovodičových technológií je všeobecne uznávaná ako najdôležitejší výskumný problém, ktorého riešenie povedie k obrovskému technickému prelomu. PTL už vytvorilo množstvo svetových rekordov vývojom vysokovýkonných zariadení, modulátorov, zosilňovačov a demodulátorov, ktoré poskytujú prenosovú rýchlosť až 40 Gbps. Počas nasledujúcich piatich rokov bude Intel hľadať spôsoby, ako integrovať tieto komponenty do skutočných produktov.
V oblasti polovodičovej fotoniky sa Intel už dostal do cieľa. Výskum v oblasti integrácie optických prvkov sa už posunul z štádia vedeckého alebo technologického vývoja do štádia vytvárania komerčných produktov. Výskumný tím je teraz v procese identifikácie schopností a špecifikácií pre navrhovanie inovatívnych produktov založených na tejto revolučnej technológii. V konečnom dôsledku Intel vytvára prototypy a úzko spolupracuje s tímami vývoja produktov, aby urýchlil ich prijatie. Nová technológia.
Okrem vlastných aktivít Intel Corporation financuje niektoré z najsľubnejších výskumov v tomto smere mimo CTG – konkrétne spolupracuje s Kalifornskou univerzitou v Santa Barbare, ktorá vyvíja hybridný polovodičový laser. V laboratóriu PTL sa pripravujú aj talentovaní absolventi rôznych univerzít z iných krajín.
Podľa vedúceho výskumníka optiky spoločnosti Intel Richarda Jonesa: „V našom projekte hybridného polovodičového lasera práve teraz stoja pred nami dve kritické výzvy. Po druhé, musíme skombinovať hybridný laser, vysokorýchlostný polovodičový modulátor a multiplexor, aby sme dokázali, že môže vytvoriť jeden optický vysielač založený na výrobná technológia kompatibilný s CMOS".
Zavedenie technológií kremíkovej fotoniky bude zahŕňať vývoj nových výrobných procesov na výrobu laserov vo veľkom meradle. Úspech spoločnosti Intel Corporation v oblasti fotoniky jej umožní výrazne prekonať potenciálnych konkurentov. PTL už má zaregistrovaných asi 150 patentov. Najprestížnejšie publikácie, ako napríklad Nature, zaznamenali bezprecedentné úspechy špecialistov spoločnosti Intel. Okrem toho v roku 2007 spoločnosť Intel získala ocenenie EE Times ACE Award za najsľubnejšiu novú technológiu.
V honbe za fotónmi
Na rozdiel od existujúcich dobre zabehnutých a desiatky rokov starých procesov výroby tranzistorov je technológia vytvárania prvkov pre polovodičovú fotoniku úplne nová. Jeho realizácii stoja v ceste určité problémy: optimalizácia zariadení, zvýšenie spoľahlivosti konštrukcie, metodika testovania, zabezpečenie energetickej účinnosti a vývoj subminiatúrnych zariadení.
Aby mohli byť nové komponenty zavedené do praxe, PTL musí zabezpečiť, aby optické komponenty spĺňali extrémne vysoké kritériá spoľahlivosti používané v počítačovom priemysle. V optickom priemysle boli v priebehu desaťročí vyvinuté prísne normy spoľahlivosti. V súlade s nimi sú pred spustením sériovej výroby nových produktov potrebné mesiace testovania. Ak sa počas týchto zdĺhavých testov zistia problémy, ich oprava a opätovné testovanie môže výrazne spomaliť uvedenie produktu na trh.
Jedným z najdôležitejších problémov je optimalizácia, pretože laboratórium PTL vyvíja optické zariadenia pre hromadné výpočty. Hoci neexistujú žiadne iné podobné produkty, štandardy alebo iné referenčné hodnoty, je na inžinieroch vyvíjajúcich nový proces, aby našli riešenia, ktoré najlepšie vyhovujú potrebám počítačových aplikácií.
V súčasnosti výskumný tím PTL, relatívne malý na štandardy fotoelektroniky, postupne prechádza na komercializáciu riešení polovodičovej fotoniky a očakáva, že masová implementácia tejto neuveriteľnej technológie sa môže začať už v roku 2010.
Tím špecialistov na optiku zo skupiny Digital Enterprise Group (DEG), vedený Victorom Krutulom, vyvíja aplikácie, ktoré poskytnú základ pre vznikajúcu technológiu. „Veríme, že produkty Intelu budú aj naďalej vyhovovať Moorovmu zákonu prostredníctvom rozvoja optickej komunikácie,“ hovorí Krutal.
Kedy prenášať informácie medzi komponentmi tej istej výpočtovej platformy a medzi nimi rôznych systémov nebudú použité elektróny, ale fotóny, bude dokončená ďalšia počítačová revolúcia. Poprední výrobcovia elektroniky na celom svete sa už pripájajú k tomuto závodu o zisk konkurenčné výhody. Význam novej technológie možno prirovnať k vynálezu integrované obvody. Intel je na čele tohto výskumu a vývoja polovodičových fotonických komponentov.
Správy Novinky z elektronikyKremíková fotonika: nahradí svetlo elektrinu?
Celopolovodičový CW laser rieši doteraz neprekonateľný problém dvojfotónovej absorpcie
Mikroelektronika už čelí fyzickým obmedzeniam (na atómovej úrovni) pri prenose elektrických signálov medzi mikroobvodmi. Možné riešenie Týmto problémom môže byť vývoj netradičných technológií, najmä kremíkovej fotoniky.
Intel už vytvoril mnoho štruktúr potrebných na to, aby bola signalizácia medzi čipmi pomocou svetla taká jednoduchá, ako to teraz robia elektróny. Hlavným problémom bol nedostatok vhodného svetelného zdroja. Nedávno Intel oznámil nový prelom v tejto oblasti, prvý celopolovodičový laser s kontinuálnou vlnou využívajúci fyzikálny jav nazývaný Ramanov efekt (v kvantovej mechanike je Ramanov efekt popisovaný ako výmena energie medzi rozptýlenými molekulami a dopadajúcim svetlom), a skonštruované pomocou štandardných komerčných kryštálov CMOS.
S využitím sily polovodičov boli výskumníci spoločnosti Intel schopní realizovať funkčnosť tradičného, objemného Ramanovho lasera, ktorý používa sklo a má zvyčajne veľkosť kufra jeho zmenšením na hrúbku jednej stopy na kremíkovej doštičke.
Tento prelom v kremíkovej fotonike povedie k praktickým a cenovo dostupným riešeniam pre komunikáciu a výpočtovú techniku, k vytvoreniu nových medicínskych zariadení a senzorov a laditeľný polovodičový laser môže nahradiť svojich predchodcov, ktorí stoja stovky a tisíce dolárov. Tento úspech môže viesť aj k urýchleniu vytvárania nových optických prepojení medzi mikroobvodmi a externých zariadení, pretože tenké optické vlákna zaberajú menej miesta ako elektrické káble a poskytnú lepšie chladiace podmienky pre počítače a servery.
Polovodičový laserový demo wafer bol vyrobený štandardnou technológiou CMOS na existujúcej výrobnej linke. To znamená, že pri týchto nových technológiách nemusí byť cesta od laboratória k výrobe dlhá a komplikovaná, ako je to pri niektorých netradičných technológiách, ale skôr priama a rýchla.
Kremíkovo-fotonický čip, výsledok desaťročného výskumu, je schopný prenášať dáta pomocou svetelných impulzov rýchlosťou až 100 Gbps. Počas testovania dosahovala prenosová vzdialenosť dva kilometre.
Light vám umožňuje prenášať dáta rýchlejšie ako medené káble, ktoré spájajú úložné systémy, sieťové zariadenia a servery v dátových centrách. Kremíkovo-fotonický čip umožní prepojiť servery a superpočítače budúcich generácií vysokorýchlostným optickým pripojením, pri ktorom sa medzi výpočtovými uzlami musí prenášať obrovské množstvo dát.
IBM vyvíja svoju technológiu s očakávaním napredovania v dátových centrách a v PC alebo vreckových zariadeniach by ste to tak skoro nemali očakávať, povedal Wilfrid Hensch, senior manažér divízie kremíkovej fotoniky IBM.
Technológia kremíkovej fotoniky má potenciál spôsobiť revolúciu v spôsobe nasadzovania serverov v dátových centrách tým, že od seba oddelí bloky spracovania, pamäte a úložiska. V dôsledku tohto oddelenia môžu aplikácie bežať rýchlejšie a náklady na komponenty možno znížiť konsolidáciou ventilátorov a napájacích zdrojov.
Vzhľadom na rast využívania systémov strojového učenia a spracovania veľkých dát je dnes potreba výpočtový výkon serverov. S optickými prepojeniami môžu desiatky procesorov interagovať v rámci jedného serverový stojan, čo by uľahčilo distribúciu úloh pre viacuzlové spracovanie, povedal Richard Doherty, riaditeľ výskumu v The Envisioneering Group.
S optickými prepojeniami je možné servery jednoducho vymieňať, ako napríklad úložné jednotky, bez prerušenia, v závislosti od potrieb spracovania, dodal.
Svetlo sa už používa na prenos dát na veľké vzdialenosti v komunikačných sieťach, ale technológie z optických vlákien nie sú lacné. Optické káble podporuje aj rozhranie Thunderbolt, ktoré sa používa v počítačoch Mac a PC na vysokorýchlostnú komunikáciu s perifériami.
Technológia kremíkovej fotoniky IBM je lacnejšia a navrhnutá na kratšie vzdialenosti ako optické telekomunikačné zariadenia, hovorí Hensch.
Intel tiež vytvoril kremíkové fotonické čipy pre dátové centrum, ale spoločnosť nedokázala dodržať ohlásené dátumy vydania. IBM možno nie je prvá, ktorá ponúka kremíkovo-fotónový vysielač, ale jej technológia je životaschopnejšia a menej komplexná ako technológia Intelu, povedal Doherty.
Čip IBM je podľa neho jednoduchší a lacnejší na výrobu a má jednoduchá štruktúra, zatiaľ čo riešenie Intel vyžaduje ďalšie fyzické komponenty.
Samotný Intel však tvrdí, že jeho optické moduly sú integrované a majú výhody z hľadiska testovania a nákladov.
Čipy týchto dvoch spoločností prenášajú dáta úplne odlišným spôsobom a každý má svoje výhody. Čip IBM je navrhnutý tak, aby prenášal na jednom vlákne cez štyri kanály s rôznymi vlnovými dĺžkami Technológia Intel Doherty zdôraznil, že sa lepšie škáluje a umožňuje viac prameňov v kábli.
Intel má optické káble MXC s až 64 vláknami, každý s prenosovou rýchlosťou 25 Gbps. Zvýšenie počtu vlákien však môže niečo stáť a jednovláknová možnosť IBM za nižšiu cenu by mohla splniť požiadavky mnohých dátových centier, pokiaľ ide o rýchlosť a vzdialenosť, dodal Doherty.
IBM nespresnila, kedy by jej kremíkovo-fotonické čipy mohli vstúpiť na trh.
18. septembra tohto roku spoločnosť Intel spolu s Kalifornskou univerzitou v Santa Barbare predviedla prvý elektricky čerpaný hybridný kremíkový laser na svete, ktorý kombinuje schopnosť vyžarovať a šíriť svetlo cez kremíkový vlnovod a zároveň využíva výhody nízkej ceny výroby kremíka.. Vytvorenie hybridného kremíkového lasera je ďalším krokom k získaniu kremíkových čipov obsahujúcich desiatky až stovky lacných laserov, ktoré budú v budúcnosti tvoriť základ počítačovej elektroniky.
História kremíkovej fotoniky
Kremíková fotonika je jedným z hlavných smerov vo výskumnej práci spoločnosti Intel Corporation. Ďalším prelomom spoločnosti v tejto oblasti bolo vytvorenie prvého elektricky čerpaného hybridného kremíkového lasera na svete.
Teraz sa vlastne otvorila cesta k vytvoreniu optických zosilňovačov, laserov a konvertorov vlnových dĺžok svetla pomocou dobre zavedenej technológie výroby kremíkových mikroobvodov. Postupne sa „silikonizácia“ fotoniky stáva realitou a v budúcnosti umožní vytvárať lacné vysokovýkonné optické obvody, ktoré umožňujú výmenu dát vo vnútri aj mimo PC.
Optické komunikačné systémy majú oproti tradičným káblovým systémom určité výhody, z ktorých hlavnou je ich obrovská šírka pásma. Napríklad optické vlákna, ktoré sa dnes používajú v komunikačných systémoch, dokážu súčasne prenášať až 128 rôznych dátových tokov. Teoretický limit pre prenos dát cez vlákno sa odhaduje na 100 biliónov bitov za sekundu. Aby sme mohli prezentovať toto obrovské číslo, urobme jednoduché porovnanie: táto šírka pásma je dostatočná na zabezpečenie prenosu telefonické rozhovory súčasne všetci obyvatelia planéty. Preto je celkom pochopiteľné, že optické komunikačné systémy priťahujú veľkú pozornosť všetkých výskumných laboratórií.
Na prenos informácií pomocou svetelného žiarenia je potrebné mať niekoľko povinných komponentov: zdroje žiarenia (lasery), modulátory svetelných vĺn, cez ktoré sa do svetelnej vlny vkladajú informácie, detektory a optické vlákno na prenos dát.
Pomocou niekoľkých laserov vyžarujúcich vlny rôznych vlnových dĺžok a modulátorov je možné prenášať mnoho dátových tokov súčasne cez jediné optické vlákno. Na prijímacej strane sa na spracovanie informácií využíva optický demultiplexor, ktorý od prichádzajúceho signálu oddeľuje nosiče s rôznymi vlnovými dĺžkami a optické detektory, ktoré umožňujú premenu optických signálov na elektrické. Štrukturálna schéma optický komunikačný systém je znázornený na obr. jeden.
Ryža. 1. Schéma štruktúry optického komunikačného systému
Výskum v oblasti optických komunikačných systémov a optických obvodov sa začal už v 70. rokoch – vtedy boli optické obvody prezentované ako nejaký druh optického procesora alebo superoptického čipu, v ktorom je vysielacie zariadenie, modulátor, zosilňovač, detektor, resp. všetko potrebné elektronické komponenty. Praktickú realizáciu tejto myšlienky však brzdila skutočnosť, že súčiastky optických obvodov boli vyrobené z rôzne materiály, teda integrovať do jedinej platformy (čipu) na báze kremíka všetko potrebné komponenty bolo nemožné. Napriek triumfu kremíka v oblasti elektroniky sa jeho použitie v optike zdalo veľmi pochybné.
Štúdium možnosti využitia kremíka pre optické obvody prebieha už dlhé roky – od druhej polovice 80. rokov. Počas tejto doby sa však dosiahol len malý pokrok. V porovnaní s inými materiálmi nepriniesli pokusy použiť kremík na stavbu optických obvodov očakávané výsledky.
Faktom je, že kvôli štrukturálnym vlastnostiam zakázaného pásma kryštálovej mriežky kremíka vedie rekombinácia nábojov v ňom hlavne k uvoľňovaniu tepla a nie k emisii fotónov, čo neumožňuje jeho použitie na vytvorenie polovodičové lasery, ktoré sú zdrojmi koherentného žiarenia. Zároveň sa v polovodičoch ako je arzenid gália alebo fosfid india uvoľňuje rekombinačná energia hlavne vo forme infračervených fotónov, preto môžu tieto materiály slúžiť ako zdroje fotónov a môžu byť použité na vytvorenie laserov.
Ďalším dôvodom, ktorý bráni použitiu kremíka ako materiálu na vytváranie optických obvodov, je, že kremík nemá lineárny elektrooptický Pockelsov efekt, na základe ktorého sú postavené tradičné rýchle optické modulátory. Pockelsov efekt spočíva v zmene indexu lomu svetla v kryštáli pod vplyvom aplikovaného elektrického poľa. Vďaka tomuto efektu môže byť svetlo modulované, pretože zmena indexu lomu látky zodpovedajúcim spôsobom vedie k zmene fázy prenášaného žiarenia.
Pockelsov efekt sa prejavuje len v piezoelektrike a vďaka svojej nízkej zotrvačnosti teoreticky umožňuje moduláciu svetla až do frekvencie 10 THz. Navyše kvôli lineárna závislosť medzi indexom lomu a intenzitou elektrického poľa sú nelineárne skreslenia počas modulácie svetla relatívne malé.
Iné optické modulátory sú založené na takých efektoch, ako je elektroabsorpcia alebo elektrolom svetla pod vplyvom aplikovaného elektrického poľa, avšak tieto efekty sú slabo vyjadrené aj v kremíku.
Moduláciu svetla v kremíku možno získať na základe tepelného efektu. To znamená, že keď sa zmení teplota kremíka, zmení sa jeho index lomu a koeficient absorpcie svetla. Avšak kvôli prítomnosti hysterézie sú takéto modulátory skôr inertné a neumožňujú dosiahnuť modulačnú rýchlosť vyššiu ako niekoľko kilohertzov.
Ďalší spôsob modulácie žiarenia na báze kremíkových modulátorov je založený na vplyve absorpcie svetla na voľné nosiče (diery alebo elektróny). Táto modulačná metóda tiež neumožňuje získať vysoké rýchlosti, pretože je spojený s fyzickým pohybom nábojov vo vnútri kremíkového modulátora, čo je samo o sebe inertný proces. Zároveň si treba uvedomiť, že kremíkové modulátory založené na popísanom efekte si teoreticky dokážu udržať modulačnú rýchlosť až do 1 GHz, ale v praxi sa doteraz implementovali modulátory s rýchlosťou až 20 MHz.
Napriek všetkým ťažkostiam s použitím kremíka ako materiálu pre optické obvody sa v poslednom čase v tomto smere dosiahol významný pokrok. Ako sa ukázalo, dopovanie kremíka erbiom (Er) mení štruktúru zakázaného pásma takým spôsobom, že rekombinácia náboja je sprevádzaná emisiou fotónov, to znamená, že je možné použiť kremík na získanie polovodičových laserov. . Prvý komerčný dopovaný kremíkový laser vyvinula spoločnosť ST Micro-electronics. Sľubné je aj použitie laditeľných polovodičových laserov od spoločnosti Intel ešte v roku 2002. Takéto lasery využívajú ako rezonátor Fabry-Perotov interferometer a vyžarujú na niekoľkých frekvenciách (multimode). Na izoláciu monochromatického žiarenia sa používajú špeciálne externé filtre na báze difrakčných mriežok (disperzné filtre) - obr. 2.
Ryža. 2. Laditeľné lasery s filtrami
na báze disperzných mriežok
Výsledný laserový systém s externým disperzným rezonátorom umožňuje vyladiť vlnovú dĺžku žiarenia. Tradične sa na získanie požadovanej vlnovej dĺžky filtre jemne vyladia vzhľadom na rezonátor.
Intel dokázal vytvoriť laditeľný laser, ktorý nemá vôbec žiadne pohyblivé časti. Pozostáva z lacného multimódového lasera s mriežkou zabudovanou vo vlnovode. Zmenou teploty mriežky je možné naladiť sa na určitú vlnovú dĺžku, teda prepínať medzi jednotlivými laserovými režimami.
Kremíkové optické modulátory
Vo februári 2004 urobil Intel ďalší prielom v kremíkovej fotonike predvedením prvého kremíkového optického fázového modulátora na svete na 1 GHz.
Tento modulátor je založený na efekte rozptylu svetla na voľných nosičoch náboja a svojou štruktúrou v mnohom pripomína CMOS tranzistor založený na technológii SOI (silicon on insulator). Štruktúra optického fázového modulátora je znázornená na obr. 3.
Ryža. 3. Štrukturálna schéma optického kremíkového fázového modulátora
Na substráte kryštalického kremíka s vrstvou izolantu (oxid kremičitý) je vrstva kryštalického kremíka n-typ. Potom nasleduje vrstva oxidu kremičitého, v strede ktorej je vrstva polykryštalického kremíka p-typ, ktorý plní funkciu vlnovodu. Táto vrstva sa oddelí od kryštalického kremíka n-napíšte najtenšiu vrstvu izolátora (hradlové dielektrikum), ktorej hrúbka je len 120 angstromov. Aby sa minimalizoval rozptyl svetla v dôsledku kovového kontaktu, kovové kontakty sú oddelené od vrstvy oxidu kremičitého tenkou vrstvou polykryštalického kremíka na oboch stranách vlnovodu.
Keď sa na hradlovú elektródu privedie kladné napätie, indukuje sa náboj na oboch stranách hradlového dielektrika a na strane vlnovodu (polykryštalický kremík p-typ) sú to otvory a zo strany kremíka n-typ - voľné elektróny.
V prítomnosti voľných nábojov v kremíku sa index lomu kremíka mení. Zmena indexu lomu zase spôsobí fázový posun prenášanej svetelnej vlny.
Modulátor uvažovaný vyššie umožňuje vytvárať fázovú moduláciu referenčného signálu. Aby sa fázová modulácia zmenila na amplitúdovú moduláciu (fázovo modulovaný signál je ťažko detekovateľný pri absencii referenčného signálu), optický modulátor navyše používa Mach-Zenderov interferometer (MZI), ktorý má dve ramená, z ktorých každé integruje fázový optický modulátor (obr. 4).
Ryža. 4. Bloková schéma optického modulátora
Použitie fázových optických modulátorov v oboch ramenách interferometra umožňuje zabezpečiť zhodnosť optických dĺžok ramien interferometrov.
Referenčná svetelná vlna šíriaca sa pozdĺž optického vlákna je rozdelená Y-rozdeľovačom na dve koherentné vlny, z ktorých každá sa šíri pozdĺž jedného z ramien interferometra. Ak sú obe vlny v bode spojenia ramien interferometra vo fáze, potom v dôsledku sčítania týchto vĺn vznikne rovnaká vlna (straty sa v tomto prípade zanedbávajú) ako pred interferometrom (konštruktívna interferencia). Ak sú vlny pridané v protifáze (deštruktívne rušenie), potom bude mať výsledný signál nulovú amplitúdu.
Tento prístup umožňuje amplitúdovej modulácie nosný signál - privedením napätia na jeden z fázových modulátorov sa zmení fáza vlny v jednom z ramien interferometra na n alebo sa vôbec nezmenia, čím sa vytvorí podmienka pre deštruktívne alebo konštruktívne zasahovanie. Teda privedením napätia na fázový modulátor s frekvenciou f, je možné vykonávať amplitúdovú moduláciu signálu s rovnakou frekvenciou f.
Ako už bolo uvedené, kremíkový optický modulátor Intel, predstavený vo februári 2004, bol schopný modulovať žiarenie rýchlosťou 1 GHz. Následne v apríli 2005 Intel predviedol modulátor pracujúci na frekvencii 10 GHz.
Ramanov kontinuálny kremíkový laser
Vo februári 2005 spoločnosť Intel oznámila ďalší technologický prelom – vytvorenie kremíkového lasera so spojitou vlnou založeného na Ramanovom efekte.
Ramanov efekt sa používa pomerne dlho a je široko používaný na vytváranie zosilňovačov svetla a laserov na báze optických vlákien.
Princíp fungovania takýchto zariadení je nasledujúci. Laserové žiarenie (žiarenie pumpy) s vlnovou dĺžkou je vstrekované do optického vlákna (obr. 5). V optickom vlákne sú fotóny pohlcované atómami kryštálovej mriežky, ktoré sa v dôsledku toho začnú „hojdať“ (vznikajú vibračné fonóny) a navyše vznikajú fotóny s nižšou energiou. To znamená absorpciu každého fotónu s vlnovou dĺžkou l = 1,55 mm vedie k vytvoreniu fonónu a fotónu s vlnovou dĺžkou l = 1,63 mm.
Ryža. 5. Princíp činnosti zosilňovača svetla v dôsledku Ramanovho javu
Teraz si predstavte, že existuje aj modulované žiarenie, ktoré je spojené do rovnakého vlákna ako žiarenie pumpy a vedie k stimulovanej emisii fotónov. V dôsledku toho sa žiarenie pumpy v takomto vlákne postupne premieňa na signálne, modulované, zosilnené žiarenie, to znamená, že sa dosiahne efekt optického zosilnenia (obr. 6).
Ryža. 6. Použitie Ramanovho efektu na vylepšenie
modulované žiarenie v optickom vlákne
Problém je však v tom, že takáto premena lúča pumpy na vyžarovanie signálu a tým aj zosilnenie vyžarovania signálu vyžaduje, aby sa vyžarovanie signálu aj žiarenie pumpy pohybovalo po vlákne niekoľko kilometrov. Samozrejme, schémy zosilnenia založené na viackilometrovom optickom vlákne nemožno nazvať jednoduchými a lacnými, v dôsledku čoho je ich aplikácia výrazne obmedzená.
Na rozdiel od skla, ktoré tvorí základ optického vlákna, je Ramanov efekt v kremíku 10-tisíckrát silnejší a na dosiahnutie rovnakého výsledku ako pri optickom vlákne stačí, aby sa žiarenie pumpy a žiarenie signálu šírili spolu len niekoľko centimetre . Využitie Ramanovho efektu v kremíku teda umožňuje vytvárať miniatúrne a lacné zosilňovače svetla alebo optické lasery.
Proces vytvárania kremíkového optického zosilňovača alebo Ramanovho lasera začína vytvorením optického kremíkového vlnovodu. Tento technologický proces sa nijako nelíši od procesu vytvárania tradičných CMOS čipov pomocou kremíkových substrátov, čo je, samozrejme, obrovská výhoda, keďže výrazne znižuje náklady na samotný výrobný proces.
Žiarenie privádzané do takéhoto kremíkového vlnovodu prejde len niekoľko centimetrov, po ktorých sa (v dôsledku Ramanovho efektu) úplne premení na signálne žiarenie s väčšou vlnovou dĺžkou.
V priebehu experimentov sa ukázalo, že je vhodné zvýšiť výkon žiarenia čerpadla len do určitej hranice, pretože ďalšie zvýšenie výkonu nevedie k zvýšeniu vyžarovania signálu, ale naopak, k jeho oslabeniu. Dôvodom tohto efektu je takzvaná dvojfotónová absorpcia, ktorej význam je nasledovný. Kremík je opticky priehľadná látka pre Infra červená radiácia, keďže energia infračervených fotónov je menšia ako zakázané pásmo kremíka a nestačí preniesť atómy kremíka do excitovaného stavu s uvoľnením elektrónu. Ak je však hustota fotónov vysoká, potom môže nastať situácia, keď sa dva fotóny súčasne zrazia s atómom kremíka. V tomto prípade je ich celková energia dostatočná na prenos atómu s uvoľnením elektrónu, to znamená, že atóm prejde do excitovaného stavu so súčasnou absorpciou dvoch fotónov. Tento proces sa nazýva dvojfotónová absorpcia.
Voľné elektróny vznikajúce ako výsledok dvojfotónovej absorpcie naopak absorbujú pumpové aj signálne žiarenie, čo vedie k silnému oslabeniu efektu optického zosilnenia. V súlade s tým, čím vyšší je výkon žiarenia pumpy, tým silnejší je účinok dvojfotónovej absorpcie a absorpcie žiarenia na voľné elektróny. Negatívny dôsledok dvojfotónovej absorpcie svetla na dlhý čas zabránil vytvoreniu kontinuálneho kremíkového lasera.
V kremíkovom laseri vytvorenom v laboratóriu Intel sa po prvý raz podarilo vyhnúť efektu dvojfotónovej absorpcie žiarenia, presnejšie nie javu samotnej dvojfotónovej absorpcie, ale jeho negatívnym dôsledkom – absorpcii žiarenia na výsledné voľné elektróny. Kremíkový laser je takzvaná PIN štruktúra (P-type - Intrinsic - N-type) (obr. 7). V takejto štruktúre je kremíkový vlnovod vložený do polovodičovej štruktúry s oblasťou P a N. Takáto štruktúra je podobná planárnemu tranzistorovému obvodu s kolektorom a zdrojom a namiesto brány je integrovaný kremíkový vlnovod. Samotný kremíkový vlnovod je vytvorený ako oblasť kremíka obdĺžnikového prierezu (index lomu 3,6) obklopená plášťom z oxidu kremičitého (index lomu 1,5). Vďaka tomuto rozdielu v indexoch lomu kryštalického kremíka a oxidu kremičitého je možné vytvoriť optický vlnovod a vyhnúť sa stratám žiarenia v dôsledku priečneho šírenia.
Ryža. 7. Štruktúra PIN kontinuálneho kremíkového lasera
Použitím takejto vlnovej štruktúry a čerpacieho lasera s výkonom zlomkov wattu je možné vo vlnovode vytvoriť žiarenie s hustotou asi 25 MW/cm 2 , ktorá je dokonca vyššia ako hustota žiarenia, ktorú možno získať. pomocou vysokovýkonných polovodičových laserov. Ramanovo zosilnenie pri takejto hustote žiarenia nie je príliš vysoké (rádovo niekoľko decibelov na centimeter), ale táto hustota úplne postačuje na implementáciu lasera.
Aby sa eliminoval negatívny vplyv absorpcie žiarenia na voľné elektróny vznikajúce vo vlnovode v dôsledku dvojfotónovej absorpcie, je medzi dve brány umiestnený kremíkový vlnovod. Ak sa medzi týmito bránami vytvorí potenciálny rozdiel, pod vplyvom elektrického poľa sa z kremíkového vlnovodu „vytiahnu“ voľné elektróny a diery, čím sa eliminujú negatívne dôsledky dvojfotónovej absorpcie.
Na vytvorenie lasera založeného na tejto PIN štruktúre je potrebné pridať na konce vlnovodu dve zrkadlá, z ktorých jedno musí byť semitransparentné (obr. 8).
Ryža. 8. Schéma kontinuálneho kremíkového lasera
Hybridný silikónový laser
Kremíkový laser s kontinuálnou vlnou založený na Ramanovom jave v podstate predpokladá prítomnosť externého zdroja žiarenia, ktorý sa využíva ako pumpové žiarenie. V tomto zmysle tento laser nerieši jeden z hlavných problémov kremíkovej fotoniky – schopnosť integrovať všetky štrukturálne bloky (zdroje žiarenia, filtre, modulátory, demodulátory, vlnovody atď.) do jedného kremíkového čipu.
Okrem toho použitie externých zdrojov optického žiarenia (umiestnených mimo čipu alebo dokonca na jeho povrchu) vyžaduje veľmi vysokú presnosť nastavenia lasera vzhľadom na kremíkový vlnovod, pretože nesprávne nastavenie o niekoľko mikrónov môže viesť k zlyhaniu celého zariadenia. (obr. 9). Požiadavka presného nastavenia neumožňuje uvedenie tejto triedy zariadení na masový trh a robí ich pomerne drahými. Preto je zarovnanie kremíkového lasera vzhľadom na kremíkový vlnovod jedným z najdôležitejších problémov v kremíkovej fotonike.
Ryža. 9. Pri použití externých laserov je potrebné presné nastavenie lasera
a vlnovodu
Tento problém možno vyriešiť, ak sú laser a vlnovod vytvorené v rovnakom kryštáli v rámci rovnakého technologického procesu. Preto možno vytvorenie hybridného kremíkového lasera považovať za posun kremíkovej fotoniky na novú úroveň.
Princíp činnosti takéhoto hybridného lasera je pomerne jednoduchý a je založený na emisných vlastnostiach fosfidu india (InP) a schopnosti kremíka viesť svetlo.
Štruktúra hybridného lasera je znázornená na obr. 10. Fosfid india, ktorý pôsobí ako aktívna látka polovodičového lasera, sa nachádza priamo nad kremíkovým vlnovodom a oddeľuje ho od neho najtenšia vrstva dielektrika (jeho hrúbka je len 25 atómových vrstiev) – oxid kremičitý, ktorý je „ transparentný“ pre generované žiarenie. Keď je medzi elektródami privedené napätie, dochádza k toku elektrónov v smere od záporných elektród ku kladným. Výsledkom je, že kryštálovou štruktúrou fosfidu india prechádza elektrický prúd. Pri prechode elektrický prúd prostredníctvom fosfidu india v dôsledku procesu rekombinácie dier a elektrónov vznikajú fotóny, teda žiarenie. Toto žiarenie priamo vstupuje do kremíkového vlnovodu.
Ryža. 10. Štruktúra hybridného kremíkového lasera
Opísaná štruktúra kremíkového lasera nevyžaduje dodatočné nastavenie lasera voči kremíkovému vlnovodu, pretože ich vzájomné usporiadanie voči sebe je realizované a riadené priamo pri vytváraní monolitickej štruktúry hybridného lasera.
Výrobný proces takéhoto hybridného lasera je rozdelený do niekoľkých hlavných etáp. Spočiatku sa v „sendviči“ pozostávajúcom z vrstvy kremíka, vrstvy izolátora (oxid kremíka) a ďalšej vrstvy kremíka vytvorí vlnovodová štruktúra leptaním (obr. 11) a táto technologická fáza výroby sa nelíši od tie procesy, ktoré sa používajú pri výrobe mikročipov.
Ryža. 11. Vytvorenie štruktúry vlnovodu v kremíku
Ďalej je potrebné na povrchu vlnovodu vytvoriť kryštálovú štruktúru fosfidu india. Namiesto použitia technologicky zložitého procesu pestovania kryštálovej štruktúry fosfidu india na už vytvorenej štruktúre vlnovodu, substrát fosfidu india spolu s polovodičovou vrstvou n-typ sa tvorí samostatne, čo je oveľa jednoduchšie a lacnejšie. Výzvou je pripojiť fosfid india k štruktúre vlnovodu.
Na tento účel sa štruktúra kremíkových vlnovodov a substrát fosfidu india podrobia oxidačnému procesu v nízkoteplotnej kyslíkovej plazme. V dôsledku tejto oxidácie sa na povrchu oboch materiálov vytvorí oxidový film s hrúbkou len 25 atómových vrstiev (obr. 12).
Ryža. 12. Substrát fosfidu india
s vytvorenou vrstvou oxidu
Pri zahrievaní a pritláčaní dvoch materiálov k sebe pôsobí vrstva oxidu ako priehľadné lepidlo, ktoré zabezpečuje ich splynutie do jedného kryštálu (obr. 13).
Ryža. 13. "Zlepenie" štruktúry kremíkových vlnovodov
s fosfidom india
Práve preto, že kremíkový laser opísanej konštrukcie pozostáva z dvoch navzájom zlepených materiálov, nazýva sa hybridný laser. Po procese spájania sa prebytočný fosfid india odstráni leptaním a vytvoria sa kovové kontakty.
Technologický postup výroby hybridných kremíkových laserov umožňuje umiestniť na jeden čip desiatky až stovky laserov (obr. 14).
Ryža. 14. Schéma čipu obsahujúceho štyri
hybridný silikónový laser
Prvý čip, ktorý predviedol Intel spolu s Kalifornskou univerzitou, obsahoval sedem hybridných kremíkových laserov (obr. 15).
Ryža. 15. Žiarenie siedmich hybridných kremíkových laserov,
vyrobené na jednom čipe
Tieto hybridné lasery pracujú pri vlnovej dĺžke 1577 nm pri prahovom prúde 65 mA s výstupným výkonom až 1,8 mW.
V súčasnosti je hybridný kremíkový laser prevádzkyschopný pri teplotách pod 40 °C, no v budúcnosti sa plánuje zvýšenie prevádzkovej teploty na 70 °C a zníženie prahového prúdu na 20 mA.
Budúcnosť kremíkovej fotoniky
Vývoj hybridného kremíkového lasera by mohol mať ďalekosiahle dôsledky pre kremíkovú fotoniku a slúžiť ako Štartovací bod pre éru vysokovýkonnej výpočtovej techniky.
V blízkej budúcnosti budú do čipu integrované desiatky kremíkových laserov, modulátorov a multiplexer, čo umožní vytvárať optické komunikačné kanály s terabitom. priepustnosť(obr. 16).
Ryža. 16. Čip optického komunikačného kanála,
obsahujúce desiatky kremíkových laserov,
filtre, modulátory a multiplexory
„Vďaka tomuto vývoju budeme schopní vytvárať lacné optické dátové zbernice s terabitovou šírkou pásma pre počítače budúcnosti. Týmto spôsobom môžeme priblížiť novú éru vysokovýkonnej výpočtovej techniky,“ povedal Mario Paniccia, riaditeľ Photonics Technology Lab v Intel Corporation. „Napriek tomu, že komerčné využitie tejto technológie je stále veľmi vzdialené, sme si istí, že desiatky a dokonca stovky hybridných kremíkových laserov, ako aj iných komponentov založených na kremíkovej fotonike, je možné umiestniť na jeden kremíkový čip.“