Войти
Кремниевая фотоника - это исследование и применение фотоники системы, использующие кремний в качестве оптической среды. Силикон обычно разбивается на микрофотонные компоненты с точностью субмикрометра. Они работают в инфракрасном, чаще всего на длине волны 1,55 мкм , используемой в большинстве волоконно-оптических телекоммуникационных систем. Кремний обычно лежит поверх слоя диоксида кремния, который (по аналогии с аналогичная конструкция в микроэлектронике ) известен как кремний на изоляторе (SOI).
Кремниевая фотоника, пластина 300 мм Кремниевые фотонные устройства могут быть изготовлены с использованием существующих технологий производства полупроводников, и поскольку кремний уже используется в качестве подложки для большинства интегральных схем, можно создавать гибридные устройства, в которых оптические и электронные компоненты интегрированы в один микрочип. Следовательно, кремниевая фотоника активно исследуется многими производителями электроники, включая IBM и Intel, а также академическими исследовательскими группами в качестве средства соблюдения закона Мура., используя оптические межсоединения для обеспечения более быстрой передачи данных как между и внутри микрочипов.
. Распространение света через кремниевые устройства регулируется рядом нелинейно-оптических явлений, включая эффект Керра, эффект Рамана, двухфотонное поглощение и взаимодействия между фотоны и свободные носители заряда. Наличие нелинейности имеет фундаментальное значение, так как оно позволяет свету взаимодействовать со светом, что позволяет использовать такие приложения, как преобразование длины волны и полностью оптическая маршрутизация сигнала, в дополнение к пассивной передаче света.
Кремниевые волноводы также представляют большой академический интерес благодаря своим уникальным направляющим свойствам, их можно использовать для связи, межсоединений, биосенсоров, и они предлагают возможность поддерживать экзотические нелинейные оптические явления. например, распространение солитонов.
В типичном оптическом канале данные сначала передаются от электрической сети к оптический домен с помощью электрооптического модулятора или лазера с прямой модуляцией. Электрооптический модулятор может изменять интенсивность и / или фазу оптического носителя. В кремниевой фотонике распространенным методом достижения модуляции является изменение плотности свободных носителей заряда. Вариации плотности электронов и дырок изменяют действительную и мнимую части показателя преломления кремния, как описано эмпирическими уравнениями Сорефа и Беннета. Модуляторы могут состоять как из смещенных в прямом направлении PIN-диодов, которые обычно генерируют большие фазовые сдвиги, но страдают от более низких скоростей, так и из смещенных в обратном направлении PN переходов. Продемонстрирован прототип оптического межсоединения с модуляторами микрокольца, интегрированными с германиевыми детекторами. Нерезонансные модуляторы, такие как интерферометры Маха-Цендера, имеют типичные размеры в миллиметровом диапазоне и обычно используются в приложениях связи или передачи данных. Резонансные устройства, такие как кольцевые резонаторы, могут иметь размеры всего несколько десятков микрометров, поэтому занимают гораздо меньшие площади. В 2013 году исследователи продемонстрировали резонансный модулятор истощения, который может быть изготовлен с использованием стандартных производственных процессов «кремний-на-изоляторе, комплементарный металл-оксид-полупроводник» (КНИ КМОП). Аналогичное устройство было продемонстрировано также в массивной КМОП, а не в КНИ.
На стороне приемника оптический сигнал обычно преобразуется обратно в электрическую область с помощью полупроводникового фотодетектора. Полупроводник, используемый для генерации носителей, обычно имеет ширину запрещенной зоны, меньшую, чем энергия фотонов, и наиболее распространенным выбором является чистый германий. Большинство детекторов используют PN переход для извлечения носителей, однако детекторы на основе переходов металл-полупроводник (с германием в качестве полупроводника) были интегрированы в кремниевые волноводы. также. Совсем недавно были изготовлены кремний-германиевые лавинные фотодиоды, способные работать на скорости 40 Гбит / с. Готовые приемопередатчики были коммерциализированы в виде активных оптических кабелей.
Оптические средства связи удобно классифицировать по досягаемости или длине их линий. Большая часть кремниевых фотонных коммуникаций до сих пор ограничивалась приложениями связи и передачи данных, где радиус действия составляет несколько километров или несколько метров соответственно.
Однако ожидается, что кремниевая фотоника будет играть значительную роль и в компьютерной связи, где оптические линии связи имеют диапазон от сантиметра до метра. Фактически, развитие компьютерных технологий (и продолжение закона Мура ) становится все более зависимым от более быстрой передачи данных между и внутри микрочипов. Оптика межкомпонентные соединения могут обеспечить путь вперед, и кремниевая фотоника может оказаться особенно полезной после интеграции в стандартные кремниевые микросхемы. В 2006 году бывший старший вице-президент Intel Пэт Гелсинджер заявил, что «сегодня оптика - это нишевая технология. Завтра она станет основной в каждом чипе, который мы создаем».
Первый микропроцессор с оптическим вводом / выводом (I / O) был продемонстрирован в декабре 2015 года с использованием подхода, известного как CMOS-фотоника с нулевым изменением. Эта первая демонстрация была основана на 45-нм узле SOI, а двунаправленная связь от кристалла к кристаллу работала со скоростью 2 × 2,5 Гбит / с. Общее потребление энергии звеном было рассчитано равным 16 пДж / б, и в нем преобладала доля внешнего лазера.
Некоторые исследователи считают, что требуется встроенный лазерный источник. Другие считают, что он должен оставаться вне кристалла из-за тепловых проблем (квантовая эффективность снижается с температурой, а компьютерные чипы, как правило, горячие) и из-за проблем совместимости с CMOS. Одним из таких устройств является гибридный кремниевый лазер, в котором кремний связан с другим полупроводником (например, фосфидом индия ) в качестве среды для генерации .. Другие устройства включают полностью кремниевый Рамановский лазер или полностью кремниевые лазеры Бриллюэна, в которых кремний служит в качестве среды генерации.
В 2012 году IBM объявила о создании оптических компонентов в масштабе 90 нанометров, которые могут быть изготовлены с использованием стандартных технологий и включены в обычные микросхемы. В сентябре 2013 года Intel анонсировала технологию передачи данных со скоростью 100 гигабит в секунду по кабелю диаметром примерно пять миллиметров для подключения серверов внутри центров обработки данных. Обычные кабели данных PCI-E передают данные со скоростью до восьми гигабит в секунду, а сетевые кабели - до 40 Гбит / с. Последняя версия стандарта USB развивает максимальную скорость 10 Гбит / с. Данная технология не заменяет напрямую существующие кабели, поскольку требует отдельной печатной платы для взаимного преобразования электрических и оптических сигналов. Его повышенная скорость позволяет сократить количество кабелей, соединяющих блейд-серверы в стойке, и даже разделить процессор, хранилище и память на отдельные блейд-модули, чтобы обеспечить более эффективное охлаждение и динамическую конфигурацию.
Графеновые фотодетекторы обладают потенциалом. чтобы превзойти германиевые устройства в нескольких важных аспектах, хотя они примерно на порядок отстают от нынешних генерирующих мощностей, несмотря на быстрое улучшение. Графеновые устройства могут работать на очень высоких частотах и в принципе могут достигать более высокой полосы пропускания. Графен может поглощать более широкий диапазон длин волн, чем германий. Это свойство можно использовать для одновременной передачи большего количества потоков данных в одном и том же луче света. В отличие от германиевых детекторов, графеновые фотодетекторы не требуют приложенного напряжения, что может снизить потребность в энергии. Наконец, графеновые детекторы в принципе позволяют более простую и дешевую интеграцию на кристалле. Однако графен не сильно поглощает свет. Соединение кремниевого волновода и листа графена лучше направляет свет и максимизирует взаимодействие. Первое такое устройство было продемонстрировано в 2011 году. Производство таких устройств с использованием традиционных технологий производства не было продемонстрировано.
Еще одно применение кремниевой фотоники - сигнальные маршрутизаторы для оптическая связь. Конструкцию можно значительно упростить, если изготавливать оптические и электронные части на одном кристалле, а не размещать их на нескольких компонентах. Более широкой целью является полностью оптическая обработка сигналов, при которой задачи, которые обычно выполняются путем манипулирования сигналами в электронной форме, выполняются непосредственно в оптической форме. Важным примером является полностью оптическая коммутация, при которой маршрутизация оптических сигналов напрямую управляется другими оптическими сигналами. Другой пример - полностью оптическое преобразование длины волны.
В 2013 году стартап под названием «Compass-EOS», базирующийся в Калифорнии и в Израиле, был первым, кто представил коммерческий маршрутизатор для преобразования кремния в фотонику.
Кремниевая микрофотоника потенциально может повысить эффективность Интернета. пропускная способность за счет микромасштабных устройств со сверхнизким энергопотреблением. Кроме того, потребление энергии центрами обработки данных может быть значительно снижено, если это будет успешно достигнуто. Исследователи из Sandia, Kotura, NTT, Fujitsu и различных академических институтов пытались доказать эту функциональность. В статье 2010 года сообщалось о прототипе передачи на 80 км, 12,5 Гбит / с с использованием кремниевых микрокольцевых устройств.
По состоянию на 2015 год американская стартап-компания Magic Leap работает над микросхемой светового поля с использованием кремниевой фотоники для отображения дополненной реальности.
Кремний является прозрачным для инфракрасного света с длинами волн выше примерно 1,1 микрометра. Кремний также имеет очень высокий показатель преломления, примерно 3,5. Плотное оптическое ограничение, обеспечиваемое этим высоким показателем, позволяет создавать микроскопические оптические волноводы, которые могут иметь размеры в поперечном сечении всего несколько сотен нанометров. Одномодовое распространение может быть достигнуто, таким образом (как одномодовое оптическое волокно ) устраняется проблема модальной дисперсии.
Сильные диэлектрические граничные эффекты, которые возникают из-за этого плотного ограничение существенно изменяет соотношение оптической дисперсии. Выбирая геометрию волновода, можно настроить дисперсию для получения желаемых свойств, что имеет решающее значение для приложений, требующих ультракоротких импульсов. В частности, можно точно контролировать дисперсию групповой скорости (то есть степень, в которой групповая скорость изменяется в зависимости от длины волны). В массивном кремнии на 1,55 мкм дисперсия групповой скорости (ДГС) является нормальной, поскольку импульсы с большей длиной волны распространяются с более высокой групповой скоростью, чем импульсы с более короткой длиной волны. Однако, выбрав подходящую геометрию волновода, можно изменить это и добиться аномальной ДГС, при которой импульсы с более короткими длинами волн распространяются быстрее. Аномальная дисперсия значительна, поскольку она является предпосылкой для распространения солитона и модуляционной нестабильности.
для того, чтобы фотонные компоненты кремния оставались оптически независимыми от объемного кремния пластины ., на котором они изготовлены, необходим слой промежуточного материала. Обычно это кремнезем, который имеет гораздо более низкий показатель преломления (около 1,44 в интересующей области длин волн), и, таким образом, свет на границе кремний-кремнезем будет (как свет на границе кремний-воздух) претерпевают полное внутреннее отражение и остаются в кремнии. Эта конструкция известна как кремний на изоляторе. Он назван в честь технологии кремния на изоляторе в электронике, при которой компоненты строятся на слое изолятора, чтобы уменьшить паразитную емкость и таким образом улучшить характеристики.
Кремний имеет фокусирующую керровскую нелинейность, в которой показатель преломления увеличивается с оптической интенсивностью. Этот эффект не особенно силен в объемном кремнии, но его можно значительно усилить, используя кремниевый волновод для концентрации света в очень малой площади поперечного сечения. Это позволяет видеть нелинейные оптические эффекты при малых мощностях. Нелинейность может быть дополнительно улучшена за счет использования щелевого волновода , в котором высокий показатель преломления кремния используется для ограничения света в центральной области, заполненной сильно нелинейным полимером .
керровской нелинейностью. лежит в основе самых разнообразных оптических явлений. Одним из примеров является четырехволновое смешение, которое было применено в кремнии для реализации параметрического усиления, параметрического преобразования длины волны и генерации частотной гребенки.
Керровская нелинейность может также вызывают модуляционную нестабильность, при которой она усиливает отклонения от формы оптического сигнала, приводя к генерации спектральных -боковых полос и, в конечном итоге, к распаду формы сигнала на последовательность импульсов. Другой пример (описанный ниже) - это распространение солитонов.
Кремний демонстрирует двухфотонное поглощение (TPA), при котором пара фотонов может возбуждать электронно-дырочная пара. Этот процесс связан с эффектом Керра и по аналогии с комплексным показателем преломления может рассматриваться как мнимая -часть комплексной нелинейности Керра. На длине волны связи 1,55 микрометра эта мнимая часть составляет примерно 10% от действительной части.
Влияние TPA очень разрушительно, так как оно и расходует свет, и генерирует нежелательное тепло. Однако его можно смягчить либо переключением на более длинные волны (при которых отношение TPA к Керру падает), либо с помощью щелевых волноводов (в которых внутренний нелинейный материал имеет более низкое отношение TPA к Керру). В качестве альтернативы, энергия, потерянная через TPA, может быть частично восстановлена (как описано ниже) путем извлечения ее из сгенерированных носителей заряда.
свободных носителей заряда внутри кремния может как поглощать фотоны, так и изменять свой показатель преломления. Это особенно важно при высоких интенсивностях и в течение длительного времени из-за концентрации носителей заряда, создаваемой TPA. Влияние свободных носителей заряда часто (но не всегда) нежелательно, и были предложены различные способы их устранения. Одна из таких схем состоит в имплантации кремния с гелием для усиления рекомбинации носителей. Подходящий выбор геометрии также может быть использован для уменьшения срока службы носителя. Ребристые волноводы (в которых волноводы состоят из более толстых областей в более широком слое кремния) усиливают как рекомбинацию носителей на границе кремния-кремний, так и диффузию носителей из сердцевины волновода..
Более продвинутая схема удаления несущей состоит в том, чтобы интегрировать волновод в внутреннюю область PIN-диода, который имеет обратное смещение так что носители притягиваются от сердцевины волновода. Еще более сложная схема заключается в использовании диода как части схемы, в которой напряжение и ток не совпадают по фазе, что позволяет отводить мощность из волновода. Источником этой мощности является свет, потерянный из-за двухфотонного поглощения, и поэтому, восстанавливая его часть, чистые потери (и скорость, с которой выделяется тепло) могут быть уменьшены.
Как упоминалось выше, эффекты свободных носителей заряда также могут быть использованы конструктивно для модуляции света.
Нелинейности второго порядка не могут существовать в объемном кремнии из-за центросимметрии его кристаллической структуры. Однако, применяя деформацию, можно нарушить инверсную симметрию кремния. Это может быть получено, например, путем нанесения слоя нитрида кремния на тонкую пленку кремния. Нелинейные явления второго порядка можно использовать для оптической модуляции, спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты, параметрического усиления, сверхбыстрой обработки оптических сигналов и среднего инфракрасного поколения. Однако эффективное нелинейное преобразование требует согласования фаз между задействованными оптическими волнами. В нелинейных волноводах второго порядка на основе напряженного кремния можно добиться согласования фаз с помощью инженерии дисперсии. Однако пока экспериментальные демонстрации основаны только на конструкциях, которые не согласованы по фазе. Было показано, что согласование фаз может быть получено также в кремниевых двойных щелевых волноводах, покрытых сильно нелинейной органической оболочкой, и в периодически напряженных кремниевых волноводах.
Кремний демонстрирует Рамановский эффект, при котором фотон обменивается на фотон с немного другой энергией, что соответствует возбуждению или релаксации материала. Рамановский переход кремния состоит из одного очень узкого частотного пика, что проблематично для широкополосных явлений, таких как рамановское усиление, но выгодно для узкополосных устройств, таких как рамановских лазеров. Ранние исследования рамановского усиления и рамановских лазеров начались в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, что привело к демонстрации суммарного усиления кремниевых рамановских усилителей и кремниевого импульсного рамановского лазера с волоконным резонатором (Optics express 2004). Следовательно, в 2005 году были изготовлены полностью кремниевые рамановские лазеры.
В рамановском эффекте фотоны смещаются в красный или синий цвет с помощью оптических фононов с частотой около 15 ТГц. Однако кремниевые волноводы также поддерживают возбуждения акустических фононов. Взаимодействие этих акустических фононов со светом называется рассеянием Бриллюэна. Частоты и формы колебаний этих акустических фононов зависят от геометрии и размера кремниевых волноводов, что позволяет создавать сильное бриллюэновское рассеяние на частотах от нескольких МГц до десятков ГГц. Вынужденное рассеяние Бриллюэна использовалось для создания узкополосных оптических усилителей, а также полностью кремниевых лазеров Бриллюэна. Взаимодействие между фотонами и акустическими фононами также изучается в области оптомеханики резонатора, хотя трехмерные оптические резонаторы не являются необходимыми для наблюдения взаимодействия. Например, помимо кремниевых волноводов, оптико-механическая связь была также продемонстрирована в волокнах и в халькогенидных волноводах.
Эволюция света через кремниевые волноводы может быть аппроксимирована кубической Нелинейное уравнение Шредингера, которое примечательно тем, что допускает sech -подобные солитонные решения. Эти оптические солитоны (которые также известны в оптическом волокне ) являются результатом баланса между фазовой самомодуляцией (что приводит к тому, что передний фронт импульса становится с красным смещением и с синим смещением задней кромки) и аномальной дисперсией групповой скорости. Такие солитоны наблюдались в кремниевых волноводах группами в университетах Колумбии, Рочестера и Бата.
