Kondisi saat ini dan prospek pengembangan fotonik silikon. Fotonik silikon mengubah cara server dibangun

Fotonik adalah studi fisik tentang pembangkitan cahaya (foton), deteksi, konversi, emisi, transmisi, modulasi, pemrosesan sinyal, peralihan, amplifikasi, dan indikasi. Sebagian besar aplikasi melibatkan radiasi tampak dan inframerah, meskipun penerapannya meluas ke seluruh spektrum.

Bidang penelitian yang menjanjikan adalah fotonik silikon, dan perkembangan industri lebih lanjut dikaitkan dengan semakin suksesnya bidang ini.

Cerita

Fotonik muncul dengan terciptanya laser pada tahun 1960. Penemuan ini diikuti oleh dioda laser pada tahun 1970an untuk transmisi data, dan penguat serat optik yang didoping erbium. Penemuan ini membuka jalan bagi revolusi telekomunikasi di akhir abad ke-20 dan menyediakan infrastruktur untuk Internet.

Istilah ini menyebar luas pada tahun 1980an, ketika operator jaringan telekomunikasi menguasai transmisi data melalui serat optik, dan Bell Laboratories berkontribusi terhadap penyebarannya. Penggunaan kata tersebut diperkuat ketika Institute of Electrical and Electronics Engineers' Laser and Electron Optics Society mendirikan jurnal Photonics Technology Letters pada akhir 1980an.

Selama periode menjelang jatuhnya dot-com (internet) sekitar tahun 2001, bidang fotonik terutama berfokus pada jaringan komunikasi optik. Sekarang bidang ini mencakup beragam aplikasi ilmiah dan teknologi, termasuk manufaktur laser, penginderaan biologis dan kimia, diagnostik dan terapi medis, teknologi tampilan, dan komputasi optik.

Fotonik, koneksi ke area lain

Optik klasik

Koneksi di sini sangat dekat. Optik klasik mendahului penemuan bahwa cahaya bersifat diskrit, yang menjadi sangat jelas ketika Albert Einstein dengan penuh kemenangan menjelaskan sifat efek fotolistrik pada tahun 1905. Instrumen optik mencakup lensa bias, cermin pemantul, dan berbagai komponen serta instrumen optik yang dikembangkan dari abad ke-15 hingga ke-19. Prinsip dasar optik klasik, seperti prinsip Huygens, yang ditemukan pada abad ke-17, dan persamaan Maxwell serta persamaan gelombang yang ditulis pada abad ke-19, tidak didasarkan pada sifat kuantum cahaya.

Optik modern

Bidang ilmu ini berkaitan dengan optomekanik, elektro-optik, optoelektronik, dan elektronika kuantum. Namun, setiap daerah memiliki karakteristiknya sendiri, komunitas ilmiahnya sendiri, dan tempatnya di pasar.

Optik kuantum biasanya mengacu pada penelitian fundamental, sedangkan fotonik mengacu pada penelitian dan pengembangan terapan:

• Mempelajari sifat-sifat partikel cahaya.
• Pembuatan perangkat pemrosesan sinyal menggunakan foton.
• Aplikasi praktis optik.
• Pembuatan perangkat yang mirip dengan perangkat elektronik.

Istilah “optoelektronik” diterapkan pada perangkat atau sirkuit yang secara bersamaan memiliki fungsi listrik dan optik, yaitu. ke perangkat semikonduktor film tipis. Sebelumnya, istilah "elektro-optik" digunakan, dan elektro-optik mencakup perangkat nonlinier dengan interaksi elektro-optik, seperti modulator kristal massal (sel Pockels), serta sensor gambar canggih yang biasanya digunakan oleh organisasi sipil atau pemerintah untuk pengawasan. .

Daerah berkembang

Fotonik terkait erat dengan bidang ilmu informasi kuantum dan optik kuantum yang sedang berkembang, sejauh keduanya memiliki teknik yang sama. Bidang baru lainnya termasuk optomekanik, yang mempelajari bagaimana cahaya dipengaruhi oleh getaran mekanis objek mesoskopik atau makroskopis, dan perangkat yang menggabungkan instrumentasi fotonik dan atom untuk layanan ketepatan waktu, navigasi, dan metrologi. Perbedaan antara polaritonik adalah pembawa informasi mendasar adalah polariton (campuran foton dan fonon), yang beroperasi pada rentang frekuensi dari 300 GHz hingga sekitar 10 THz.

Tinjauan Penelitian

Fotonik adalah studi tentang emisi, transmisi, amplifikasi, deteksi dan modulasi cahaya.

Sumber cahaya

Sumber cahaya dalam fotonik biasanya memiliki struktur yang lebih kompleks. Dioda dan laser superluminescent digunakan, serta sumber foton tunggal, tabung sinar katoda, dan layar plasma. Tabung sinar katoda, layar plasma, dan layar menghasilkan cahayanya sendiri, sedangkan LCD (seperti layar TTF) memerlukan lampu latar katoda dingin atau, yang lebih umum, LED.

Merupakan ciri khas sumber cahaya semikonduktor bahwa senyawa intermetalik lebih sering digunakan daripada semikonduktor klasik (silikon dan germanium). Contoh sistem material yang digunakan adalah gallium arsenide (GaAs) dan gallium aluminium arsenide (AlGaAs), atau senyawa semikonduktor lainnya. Bahan-bahan ini juga digunakan dalam kombinasi dengan silikon untuk membuat laser silikon hibrida.

Media transmisi data

Cahaya dapat melewati media transparan apa pun. Fiberglass atau fiber plastik dapat digunakan untuk mengarahkan cahaya sepanjang jalur yang diinginkan. Dalam sistem komunikasi optik, serat optik memungkinkan data dikirim melalui jarak lebih dari 100 km tanpa amplifikasi, bergantung pada bit rate digital dan jenis modulasi yang digunakan untuk transmisi. Bidang penelitian yang sangat menjanjikan adalah pengembangan dan produksi struktur dan bahan khusus dengan sifat optik tertentu - kristal fotonik, serat optik kristal fotonik, dan metamaterial.

Amplifier

Penguat optik digunakan untuk memperkuat sinyal optik. Penguat serat yang didoping erbium, penguat optik semikonduktor, penguat Raman, dan penguat parametrik optik digunakan dalam tautan komunikasi optik. Bidang yang sangat menjanjikan adalah penelitian penguat optik semikonduktor titik kuantum.

Deteksi (deteksi)

Fotodetektor dirancang untuk mendeteksi cahaya; termasuk perangkat dengan tingkat kinerja yang berbeda-beda: fotodioda berkecepatan tinggi, perangkat berpasangan muatan berkecepatan sedang, perangkat inert yang digunakan untuk mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Ada juga banyak fotodetektor berdasarkan efek termal, kimia, kuantum, fotolistrik, dan lainnya.

Modulasi

Modulasi sumber cahaya digunakan untuk mengkodekan informasi yang dikirimkan oleh sumber cahaya. Salah satu contoh paling sederhana dari modulasi langsung sumber cahaya adalah menyalakan dan mematikan senter untuk mengirimkan pesan kode Morse. Dimungkinkan juga untuk mengontrol sumber cahaya menggunakan modulator optik eksternal.

Bidang penelitian tambahan adalah jenis modulasi. Dalam komunikasi optik, jenis modulasi yang umum digunakan adalah peralihan on-off. Dalam beberapa tahun terakhir, jenis modulasi yang lebih maju, seperti pergeseran fasa atau multiplexing pembagian frekuensi ortogonal, telah dikembangkan untuk mengatasi efek penurunan sinyal seperti dispersi.

Sistem fotonik

Sains juga terlibat dalam penelitian perangkat fotonik untuk digunakan dalam sistem komunikasi optik. Bidang penelitian ini berfokus pada penerapan perangkat fotonik, mirip dengan jaringan fotonik berkecepatan tinggi, dan mencakup penelitian regenerator optik yang meningkatkan kualitas sinyal optik.

Sirkuit terpadu fotonik

Bidang mikrofotonik dan nanofotonik biasanya mencakup perangkat kristal fotonik dan perangkat solid-state.

Sirkuit terpadu fotonik adalah perangkat fotonik semikonduktor terintegrasi aktif optik yang terdiri dari setidaknya dua blok fungsional berbeda (wilayah penguatan dan cermin laser berbasis kisi). Perangkat dengan kinerja yang ditingkatkan ini bertanggung jawab atas keberhasilan komersial komunikasi optik dan kemampuan untuk meningkatkan bandwidth yang tersedia tanpa meningkatkan biaya komunikasi ke konsumen akhir secara signifikan. Sirkuit terpadu fotonik yang paling umum digunakan didasarkan pada indium fosfida.

Aplikasi

Fotonik telah ada di mana-mana dan meresap ke setiap bidang kehidupan sehari-hari. Sama seperti penemuan transistor pada tahun 1948 yang memperluas penerapan elektronik, penerapan unik dalam industri terus berkembang dan hampir tidak terbatas.

Aplikasi perangkat fotonik semikonduktor yang penting secara ekonomi meliputi:

• Merekam dan memproses data optik.
• Menampilkan informasi.
• Pemompaan optik laser berdaya tinggi.
• Telekomunikasi: komunikasi melalui serat optik, downconverter optik.
• Komputasi melalui komputer fotonik: distribusi jam dan komunikasi antar komputer, papan sirkuit tercetak, atau dalam sirkuit terpadu optoelektronik.
• Perlengkapan Rumah Tangga.
• Petir.
• Pencetakan laser berdasarkan xerografi.
• Pemindai kode batang, printer.
• Perangkat CD/DVD/Blu-Ray.
• Perangkat kendali jarak jauh.
• Kedokteran: pemantauan kesehatan, diagnostik, koreksi low vision, operasi laser, bedah endoskopi, penghapusan tato.
• Industri: Penggunaan laser untuk pengelasan, pengeboran, pemotongan dan penyelesaian permukaan menggunakan berbagai metode.
• Robotika.
• Pertanian.
• Sintesis kimia.
• Energi termonuklir.
• Konstruksi: perataan laser, pengukur jarak laser, struktur cerdas.
• Penerbangan: giroskop fotonik tanpa bagian yang bergerak.
• Peralatan militer: sistem pertahanan laser, sensor IR, kontrol, navigasi, operasi pencarian dan penyelamatan.
• Metrologi: pengukuran waktu, frekuensi dan jarak.
• spektroskopi.
• Keberadaan dan deteksi lapisan di tambang.
• Industri hiburan: pertunjukan laser, seni holografik.
• Di masa depan: komputasi kuantum.

Ada kemungkinan bahwa suatu hari nanti, dengan menggunakan fotonik silikon, seluruh pusat data yang besar dapat diubah menjadi satu komputer hyperscalable, dan jika kita memperhitungkan keberhasilan yang dicapai pada saat itu di bidang kecerdasan buatan, tidak sulit untuk membayangkan sesuatu. seperti Samudera di Solaris, dijelaskan oleh Stanislav Lem. Sementara itu, server dan pusat data saat ini menyerupai PC dalam kondisi sebelum munculnya SATA dan USB: di dalamnya terdapat kabel pita yang canggung, di luar terdapat port serial dan paralel untuk mouse, keyboard, dan speaker. Namun pada tahun 2025, gambarannya akan berbeda: semuanya akan disatukan dan dihubungkan melalui serat optik, yang akan memberikan pendekatan yang berbeda secara kualitatif terhadap sejumlah tugas, khususnya, pada penskalaan dan komputasi kinerja tinggi. Dan semua ini mungkin terjadi berkat kemajuan fotonik silikon.

Fotonik silikon adalah sinergi dari dua kelompok teknologi - elektronik dan optik, yang memungkinkan perubahan mendasar sistem transmisi data pada jarak dari milimeter hingga ribuan kilometer. Dari segi signifikansi, hasil pengenalan fotonik silikon dibandingkan dengan penemuan semikonduktor, karena penerapannya memungkinkan untuk mempertahankan efek hukum Moore selama bertahun-tahun, yang menjadi dasar bagi pengembangan teknologi informasi dan komunikasi. .

Bagi mereka yang tertarik dengan prinsip dasar arah ini, kami dapat merekomendasikan buku sains populer “Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution” (Daryl Inniss, Roy Rubenstein “Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution”), yang diterbitkan di 2017. Pengenalan yang lebih serius terhadap fotonik silikon adalah buku “Silicon Photonics III: Systems and Applications” oleh sekelompok penulis dan “Silicon Photonics: An Pendahuluan” (Graham T. Reed, Andrew P. Knights). Ada juga beberapa materi bermanfaat tentang topik ini di situs Mellanox.

Bagaimana itu bekerja

Jika kita membatasi diri pada aplikasi praktis komputasi, maka, seperti dalam kasus elektronik, optik dan fisika benda padat dapat dikesampingkan. Untuk memahami pada tingkat sistem, informasi paling dangkal tentang subjek sudah cukup. Tampaknya semuanya jelas: rangkaian sinyal listrik diubah oleh pemancar T menjadi rangkaian sinyal optik. Ia berjalan sepanjang kabel ke penerima R, yang mengembalikannya ke bentuk listrik. Beberapa jenis laser dapat digunakan sebagai sumber cahaya, dan kabel tunggal atau multimodal dapat digunakan untuk transmisi.

Namun kita tidak boleh melupakan kompleksitas ilmiah dan teknik dari masalah yang muncul ketika menerapkan prinsip fotonik silikon. Hal ini dapat dinilai dari fakta bahwa karya eksperimental pertama ke arah ini dimulai pada pertengahan tahun 80-an abad kedua puluh, upaya pengembangan komersial dilakukan pada awal tahun 2000-an, dan hasil komersial pertama diperoleh hanya setelah tahun 2016. Empat puluh tahun... Terlepas dari kenyataan bahwa penggunaan praktis komunikasi serat optik dimulai pada pertengahan tahun enam puluhan, dan pekerjaan eksperimental - jauh lebih awal.

Inti masalah bahan berbasis silikon adalah ketidakmampuannya untuk beroperasi pada frekuensi yang sama dengan yang digunakan pada serat optik, dan penggunaan bahan alternatif secara praktis tidak mungkin dilakukan karena alasan ekonomi. Investasi besar telah dilakukan pada teknologi manufaktur semikonduktor yang ada. Untuk menerapkan prinsip fotonik silikon, perlu disesuaikan dengan teknologi yang ada. Solusinya mungkin dengan memasukkan penerima dan pemancar mini ke dalam sirkuit mikro dan meletakkan pemandu gelombang yang sesuai di antara keduanya. Ini adalah tugas teknik dan teknis tersulit yang telah diselesaikan pada tahun 2017.

Intel berhasil melakukan ini lebih awal dari yang lain - perusahaan telah menawarkan produknya ke pasar. Kami mengharapkan pengumuman dari IBM segera, diikuti oleh Mellanox, Broadcom, Ciena, Juniper dan sejumlah perusahaan besar lainnya. Pada saat yang sama, startup-startup yang telah mencapai kesuksesan pun diborong. Prosesnya sudah dimulai, tapi tidak cepat. Kesulitan tersebut disebabkan karena pembuatan produk baru membutuhkan dana dan waktu yang tidak sedikit sehingga memberikan keuntungan bagi vendor terbesar.

Empat tingkat komunikasi

Teknologi fotonik silikon telah memungkinkan terciptanya 100 Gbit Ethernet, dan di masa mendatang 400 Gbit dan 1 Tbit. Nilai tukar data seperti itu membuka peluang untuk konvergensi arsitektur modern menjadi arsitektur baru secara kualitatif - di tingkat rak RSA (Arsitektur Skala Rak) dan di tingkat pusat data ESSA (Arsitektur Sistem Skala Diperluas). Batasan yang pertama terbatas pada apa yang disebut pod (satu atau lebih rak), yang kedua mencakup seluruh pusat data. Komponen infrastruktur ini berkomunikasi dari jarak jauh melalui bus PCIe (interkoneksi bus PCIe jarak jauh).

Menggunakan fotonik silikon, sistem komunikasi hierarki dibuat, dibagi menjadi 4 tingkatan:

Tingkat 1 "Chip": Penerapan teknologi fotonik silikon di dalam sebuah chip menarik karena beberapa alasan:

• Jumlah chip jauh lebih banyak daripada rak, oleh karena itu, kebutuhan akan penerima dan pemancar sangat besar, dan teknologi ini akan berkembang pesat.
• Kecepatan komunikasi off-chip akan meningkat secara signifikan, sehingga prinsip desain sistem dapat berubah secara signifikan.
• Dalam jangka panjang, dapat dibayangkan bahwa komunikasi optik dapat digunakan antar komponen chip, misalnya untuk pertukaran antar inti. Namun pada jarak yang begitu pendek, tembaga akan mempertahankan posisinya dalam waktu yang lama.

Logika fotonik belum menggantikan logika semikonduktor, tetapi sudah dapat digunakan untuk transmisi data. Baik antar perangkat maupun antar inti prosesor.

Melihat pengumuman produk perangkat keras baru dari Apple baru-baru ini, kita dapat mengatakan bahwa teknologi baru itu seperti penghijauan tropis: baru kemarin ada pertumbuhan kecil yang terhambat, namun hari ini sudah ada tanaman merambat yang kuat yang telah berakar dalam dan dianut dengan kuat. batang pasar teknologi komputer dengan tunasnya.

Kemunculan Mac pertama dengan antarmuka Thunderbolt disambut dengan rasa penasaran, tapi tidak lebih. Juga pada suatu waktu, pasar melihat port FireWire yang aneh di laptop Apple PowerBook 3G.

Dimasukkannya Thunderbolt berikutnya, dikombinasikan dengan Display Port, di hampir semua peralatan komputasi Apple memaksa produsen periferal untuk secara serius mempertimbangkan untuk mendukung teknologi ini. Untungnya, pengontrol baru yang dikembangkan oleh Intel secara bersamaan mendukung spesifikasi Thunderclap dan USB 3.0. Dan jika semuanya jelas dengan antarmuka terbaru, maka Thunderbolt penuh misteri. Yang mana?

Misalnya saja dari serial “Siapa namamu?” Bagaimanapun, Thunderbolt adalah nama pasar untuk teknologi riset Light Peak Intel, yang kata kuncinya adalah ringan. Sepuluh gigabit per detik yang kini ditawarkan Thunderbolt kepada konsumen, mentransmisikan data melalui kabel tembaga dengan jarak hingga tiga meter, benar-benar luar biasa dibandingkan dengan lima puluh gigabit per detik yang disediakan Light Peak melalui kabel optik lebih dari seratus meter.

Kemunculan versi optik Thunderbolt akan segera terjadi. Masa depan di mana, bersama dengan mikroelektronika yang biasa kita gunakan, “ratu cahaya” - fotonik - akan mulai membantu memproses data.

Anda dapat membaca tentang bagaimana Intel menggunakan fotonik dalam teknologi pertukaran data berkecepatan tinggi Silicon Photonics Link di artikel “Unduh sebentar lagi: kemajuan dalam fotonik silikon.”

Solusi fotonik silikon Intel akan menyediakan bandwidth antarmuka periferal komputer sebesar lima puluh gigabit per detik

Saatnya untuk melihat komponen sistem berbasis fotonik silikon secara lebih rinci. Sistem, karena solusi Intel bukanlah satu-satunya. Dan yang terpenting, saat ini ini bukan lagi sekadar latihan laboratorium. Fotonik silikon telah memperoleh semua kemampuan yang diperlukan dan cukup siap untuk bekerja sama secara bermanfaat dengan solusi mikroelektronik yang ada.

Contoh kerja sama tersebut adalah pahlawan materi saat ini - proyek IBM yang diberi nama SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

Fotonik. Batu bata teknologi

Bisakah fotonik sepenuhnya menggantikan elektronik dalam sirkuit mikro? Mungkin tidak. Perambatan cahaya didasarkan pada hukum optik, yang memberikan batasan signifikan pada desain komponen dasar seperti transistor, kapasitor, dan dioda. Tidak, upaya untuk mengembangkan analog optik transistor telah dilakukan sejak lama, dan bahkan hingga saat ini upaya tersebut tidak berhenti. Tapi mereka tidak bisa bersaing dengan teknologi CMOS yang sudah terbukti.

Rangkaian transistor fotonik diusulkan pada tahun delapan puluhan abad yang lalu

Keunggulan fotonik adalah dalam mengimplementasikan hubungan berkecepatan tinggi antara komponen sirkuit digital. Artinya, di tempat-tempat di mana barang elektronik mulai tergelincir semakin aktif. Peningkatan derajat integrasi komponen sirkuit mikro mempengaruhi ukuran konduktor logam yang menghubungkannya. Dengan peralihan ke proses manufaktur CMOS dua puluh dua nanometer, para insinyur dihadapkan pada masalah fenomena transien pada busbar tembaga mini. Fenomena ini dapat dengan mudah menyebabkan kesalahan dalam pengoperasian sistem komputasi kompleks yang dikemas dalam chip silikon.

Penggunaan fotonik sebagai media komunikasi untuk sirkuit mikro memungkinkan para ahli teknologi untuk secara bersamaan menghilangkan chip baru dari pengaruh proses transien dalam konduktor tembaga dan secara signifikan mengurangi pemanasan sirkuit mikro. Tidak seperti elektron, yang secara tidak produktif mengubah energinya menjadi panas, foton, yang bergerak sepanjang konduktor optik, tidak menghilangkan panas sama sekali.

Jadi, solusi komprominya adalah kombinasi elektronik dan fotonik. Elektronika mempertahankan dasar sirkuit digital, dan fotonik mengambil peran sebagai media penghantar universal.

Apa yang dibutuhkan untuk lingkungan seperti itu? Pertama-tama, sumber foton adalah laser. Berikutnya adalah media penghantar yang melaluinya foton dapat merambat di dalam sirkuit mikro - pandu gelombang. Agar angka nol dan satu yang dibentuk oleh komponen elektronik berubah menjadi fluks cahaya, dan untuk konversi terbalik, diperlukan modulator dan demodulator, tetapi, tentu saja, bukan yang sederhana, tetapi yang optik.

Nah, untuk mencapai throughput tinggi yang dibutuhkan oleh saluran sirkuit terpadu saat ini, diperlukan multiplexer dan demultiplexer (juga, tentu saja, optik). Terlebih lagi, semua komponen ini harus diimplementasikan pada basis silikon yang sama yang digunakan untuk teknologi CMOS.

Perkembangan “blok penyusun” ini adalah jalur yang diikuti fotonik silikon selama dua puluh tahun terakhir. Selama masa ini, banyak solusi unik yang diusulkan, yang merupakan “rangkaian teknologi” yang memungkinkan fotonik berpindah ke tingkat yang baru secara kualitatif. Tingkat sirkuit optik-elektronik terintegrasi.

Laser silikon

Sebenarnya, ungkapan “laser silikon” adalah sebuah oxymoron. Menjadi semikonduktor celah tidak langsung, silikon sama sekali tidak mampu memancarkan cahaya. Inilah sebabnya mengapa telekomunikasi serat optik menggunakan solusi berdasarkan semikonduktor (celah langsung) lainnya, seperti gallium arsenide. Pada saat yang sama, silikon sangat baik untuk membuat pandu gelombang dan mendeteksi sinyal optik menjadi sinyal listrik.

Jadi apa masalahnya? Anda dapat menggunakan laser di luar sirkuit silikon atau mengembangkan sirkuit hibrida berdasarkan silikon dan, misalnya, galium arsenida. Namun tidak ada solusi yang dianggap efektif. Dalam kasus penggunaan laser eksternal (dan dalam sistem serat optik tingkat makro modern hal ini dilakukan), pada tingkat mikro hampir tidak mungkin untuk mengkalibrasi sinar secara akurat dalam kaitannya dengan pandu gelombang berukuran nanometer. Dimasukkannya galium arsenida dalam proses pembuatan chip CMOS gagal. Kedua semikonduktor ini memerlukan kondisi produksi yang sangat berbeda.

Jadi, apakah laser silikon tidak akan pernah melihat (atau malah memancarkan) cahaya? Tentu saja tidak. Silikon bisa dibuat bersinar dengan menggunakan berbagai trik. Misalnya, mendopingnya dengan bahan yang akan memancarkan foton melebihi silikon. Atau mengubah struktur silikon itu sendiri sedemikian rupa sehingga terpaksa menyala. Cara ketiga adalah dengan menggunakan hamburan Raman (juga disebut hamburan Raman), yang untuk sementara mengubah silikon menjadi semikonduktor dengan celah hampir langsung.

Salah satu cara untuk membuat silikon bersinar adalah dengan membuat struktur silikon berpori

Skema dan mikrograf laser Raman

Saat ini, para ilmuwan telah mencapai kesuksesan terbesar di bidang teknologi doping silikon. Implementasi paling terkenal dari laser silikon gelombang kontinu berdasarkan mereka adalah laser yang dikembangkan oleh Intel bekerja sama dengan Universitas California, Santa Barbara. Para ilmuwan berhasil “merekatkan” semikonduktor indium fosfida celah langsung ke pandu gelombang silikon menggunakan oksida. Ketebalan “lem” hanya 25 atom. Dengan menciptakan perbedaan potensial antara silikon dan indium fosfida (ini disebut "pemompaan listrik"), mereka mencapai pembentukan foton, yang menembus "lem" ke dalam pandu gelombang silikon.

Diagram skema laser silikon hibrida gelombang kontinu

Berdasarkan skema ini, varian laser silikon hibrida dengan panjang gelombang berbeda (rentang inframerah, transparan hingga silikon) dibuat, yang memungkinkan penerapan sistem komunikasi multisaluran.

Modulator silikon

Aliran foton yang dipancarkan oleh laser silikon dapat dianggap sebagai frekuensi pembawa yang perlu dimodulasi oleh sinyal biner.

Modulator optik dianggap mustahil sampai para ilmuwan memutuskan untuk mengeksploitasi fenomena interferensi cahaya. Secara umum, sinyal optik termodulasi dapat diperoleh dengan menginterferensi berkas cahaya referensi dan berkas yang melewati bahan yang mengubah indeks bias di bawah pengaruh arus listrik (yang disebut efek elektro-optik). Sayangnya, silikon juga mengecewakan kita - kisi kristal simetrisnya tidak memungkinkan efek elektro-optik terwujud. Doping kembali menjadi penyelamat.

Para ilmuwan membagi dua pandu gelombang silikon dan membangun lapisan silikon nitrida di salah satu lengannya, yang meregangkan kisi kristal silikon. Penerapan tegangan pada bagian ini menyebabkan pembiasan cahaya pada lengan pandu gelombang ini. Pada saat yang sama, di lengan yang lain aliran yang sama merambat tanpa distorsi.

Foto mikro dari bagian lengan pembiasan cahaya dalam modulator Mach-Zehnder

Implementasi seluruh modulator Mach-Zehnder dan variannya.

Kombinasi fluks ini pada keluaran menghasilkan interferensi, dan fluks keluaran akan dimodulasi dengan menerapkan tegangan ke lengan pandu gelombang silikon nitrida. Para ilmuwan tidak perlu menemukan kembali roda. Efek serupa banyak digunakan pada interferometer Mach-Zehnder. Oleh karena itu, modulator dan demodulator silikon diberi nama yang persis sama.

Multiplexer silikon

Beberapa aliran cahaya termodulasi dari beberapa laser dengan panjang gelombang berbeda dapat secara signifikan meningkatkan throughput saluran komunikasi dengan memparalelkan transmisi data. Tapi bagaimana benang sebanyak ini bisa digabungkan menjadi satu? Apalagi sedemikian rupa sehingga total aliran yang dihasilkan pada output dapat dibagi lagi. Di sinilah multiplekser membantu. Tentu saja optik.

Ide multiplexer optik berdasarkan array of waveguides (AWG)

Mikrograf multiplekser AWG

Multiplexer optik berdasarkan rangkaian modulator Mach-Zehnder

Saat ini, sebuah teknologi telah diusulkan untuk multiplexing mikrominiatur cahaya melalui multiplexing spektralnya (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Paling sering, struktur difraksi berdasarkan susunan pandu gelombang dan cermin (AWG - Arrayed Waveguide Grating) digunakan untuk mengimplementasikannya, di mana setiap berkas cahaya bergerak sepanjang pandu gelombangnya sendiri, melengkung sesuai dengan panjang gelombangnya. Ketika pandu gelombang ini bersatu, mereka menghasilkan fluks padat spektral. Solusi umum lainnya adalah dengan menggunakan rangkaian modulator Mach-Zehnder yang sudah kita kenal.

Penembak Jitu IBM. Silikon terabit

Solusi di bidang fotonik silikon yang diusulkan oleh Intel ditujukan untuk memajukan teknologi fotonik di bidang antarmuka perangkat periferal. Prospek komersial langsungnya adalah versi optik lima puluh gigabit dari antarmuka Thunderbolt (mungkin pada saat implementasi industri akan disebut berbeda). Dalam jangka panjang, Intel sedang mempertimbangkan untuk meningkatkan throughput hingga dua ratus gigabit per detik. Mengatakan cepat berarti tidak mengatakan apa-apa: misalnya, isi disk DVD dengan kecepatan ini dapat ditransfer dalam satu detik.

Laboratorium Penelitian IBM telah menetapkan tujuan yang persis sama. Saya mengaturnya dan mencapainya! Benar, IBM berencana untuk menggunakan terabitnya bukan pada antarmuka komunikasi, tetapi pada bus berkecepatan tinggi yang menghubungkan inti prosesor multi-inti.

Komunikasi antarnuklir berdasarkan fotonik silikon

Ide proyek SNIPER dari IBM Research (bagian fotonik dari rangkaian ditunjukkan dengan warna biru)

Proyek SNIPER adalah implementasi praktis dari gagasan nanofotonik, menggunakan “blok bangunan” yang dibahas di atas untuk menciptakan jaringan komunikasi fotonik. Jaringan fotonik ini terintegrasi di atas kue sistem-on-chip multilayer yang mencakup modul multiprosesor dan modul RAM. Memiliki keluaran ke luar, jaringan semacam itu menyediakan koneksi sistem ini pada sebuah chip ke bus data optik berkecepatan tinggi yang menghubungkan prosesor dengan periferal. Pengkabelan pandu gelombang internal memastikan perutean data antar inti modul prosesor.

Modul fotonik enam saluran dari proyek SNIPER

Proyek SNIPER saat ini menawarkan penerapan modul transceiver fotonik enam saluran menggunakan laser silikon hibrida, modulator Mach-Zehnder, dan multiplekser susunan pandu gelombang. Throughput setiap saluran transceiver ini adalah dua puluh gigabit per detik. Lima puluh saluran ini diimplementasikan pada substrat berukuran 25 milimeter persegi, yang memberikan throughput terabit yang sama.

Chip fotonik Project SNIPER memberikan throughput terabit

Yang terpenting, SNIPER bukan lagi proyek penelitian. Perpustakaan semua elemen fotonik untuk litografi silikon telah diuji untuk siklus produksi. Serta teknik mengintegrasikannya dengan logika CMOS sistem pada sebuah chip.

Di manakah solusi ini akan diterapkan pertama kali? Tentu saja, dalam sistem superkomputer dan pusat data komputasi awan. Dimana daya komputasi sirkuit elektronik yang paling dibutuhkan adalah untuk bertukar data dengan kecepatan cahaya.

Namun, kita dapat yakin bahwa perluasan fotonik silikon ke dalam komputasi konsumen tidak lama lagi akan terjadi. Semuanya akan dimulai dengan antarmuka untuk menghubungkan periferal, dan kemudian, lihatlah, bus untuk solusi multi-inti akan menyusul, mengubah silikon membosankan di dalam prosesor kita menjadi kristal ajaib yang berkilau dengan semua warna spektrum.

Pada tanggal 18 September tahun ini, Intel, bersama dengan Universitas California, Santa Barbara, mendemonstrasikan laser silikon yang dipompa secara elektrik hibrida pertama di dunia, yang menggabungkan kemampuan emisi dan propagasi cahaya sepanjang pandu gelombang silikon, dan juga memanfaatkan rendahnya biaya produksi silikon. Penciptaan laser silikon hibrida merupakan langkah selanjutnya untuk memperoleh chip silikon yang berisi puluhan bahkan ratusan laser murah, yang di masa depan akan menjadi basis elektronik komputer.

Sejarah Fotonik Silikon

Salah satu bidang utama penelitian dan pengembangan Intel adalah fotonik silikon. Terobosan perusahaan berikutnya dalam bidang ini adalah penciptaan laser silikon hibrida yang dipompa secara elektrik pertama di dunia.

Jalan sekarang terbuka secara efektif untuk membuat amplifier optik, laser dan konverter panjang gelombang cahaya menggunakan teknologi manufaktur chip silikon yang sudah mapan. Secara bertahap, “silikonisasi” fotonik menjadi kenyataan dan di masa depan akan memungkinkan terciptanya sirkuit optik berbiaya rendah dan berkinerja tinggi yang memungkinkan pertukaran data baik di dalam maupun di luar PC.

Sistem komunikasi optik memiliki keunggulan tertentu dibandingkan sistem kabel tradisional, yang utama adalah bandwidthnya yang sangat besar. Misalnya, serat optik yang digunakan dalam sistem komunikasi saat ini dapat mengirimkan hingga 128 aliran data berbeda secara bersamaan. Batas teoritis kecepatan transmisi data melalui serat optik diperkirakan mencapai 100 triliun bit per detik. Untuk membayangkan angka sebesar ini, mari kita berikan perbandingan sederhana: bandwidth ini cukup untuk memastikan transmisi percakapan telepon secara bersamaan ke seluruh penghuni planet ini. Oleh karena itu dapat dimengerti bahwa sistem komunikasi optik menarik perhatian semua laboratorium penelitian.

Untuk mengirimkan informasi menggunakan radiasi cahaya, diperlukan beberapa komponen wajib: sumber radiasi (laser), modulator gelombang cahaya yang melaluinya informasi tertanam dalam gelombang cahaya, detektor dan serat optik untuk transmisi data.

Menggunakan beberapa laser yang memancarkan panjang gelombang dan modulator berbeda, beberapa aliran data dapat ditransmisikan secara bersamaan melalui satu serat optik. Di sisi penerima, untuk memproses informasi, digunakan demultiplexer optik, yang memisahkan pembawa dengan panjang gelombang berbeda dari sinyal masuk, dan detektor optik, yang memungkinkan untuk mengubah sinyal optik menjadi sinyal listrik. Diagram blok sistem komunikasi optik ditunjukkan pada Gambar. 1.

Beras. 1. Diagram blok sistem komunikasi optik

Penelitian di bidang sistem komunikasi optik dan sirkuit optik dimulai pada tahun 1970-an - kemudian sirkuit optik dibayangkan sebagai sejenis prosesor optik atau chip super optik, yang di dalamnya terdapat perangkat transmisi, modulator, penguat, detektor, dan semua elektronik yang diperlukan terintegrasi.Komponen. Namun, implementasi praktis dari ide ini terhambat oleh kenyataan bahwa komponen sirkuit optik terbuat dari bahan yang berbeda, sehingga tidak mungkin untuk mengintegrasikan semua komponen yang diperlukan ke dalam satu platform (chip) berbasis silikon. Meskipun silikon berjaya di bidang elektronik, penggunaannya dalam optik nampaknya sangat diragukan.

Kemungkinan penggunaan silikon untuk sirkuit optik telah dipelajari selama bertahun-tahun - sejak paruh kedua tahun 1980-an. Namun, hanya sedikit kemajuan yang dicapai selama ini. Dibandingkan dengan bahan lain, upaya menggunakan silikon untuk membangun sirkuit optik belum memberikan hasil yang diharapkan.

Faktanya adalah, karena kekhasan struktur celah pita kisi kristal silikon, rekombinasi muatan di dalamnya terutama mengarah pada pelepasan panas dan bukan emisi foton, yang tidak memungkinkannya digunakan untuk membuat laser semikonduktor yang merupakan sumber radiasi koheren. Pada saat yang sama, dalam semikonduktor seperti galium arsenida atau indium fosfida, energi rekombinasi dilepaskan terutama dalam bentuk foton inframerah, sehingga bahan ini dapat berfungsi sebagai sumber foton dan digunakan untuk membuat laser.

Alasan lain yang mencegah penggunaan silikon sebagai bahan untuk membuat sirkuit optik adalah karena silikon tidak memiliki efek Pockels elektro-optik linier, yang menjadi dasar pembuatan modulator optik cepat tradisional. Efek Pockels melibatkan perubahan indeks bias cahaya dalam kristal di bawah pengaruh medan listrik yang diterapkan. Karena efek inilah cahaya dapat dimodulasi, karena perubahan indeks bias suatu zat menyebabkan perubahan fase radiasi yang ditransmisikan.

Efek Pockels hanya muncul dalam piezoelektrik dan, karena kelembamannya yang rendah, secara teoritis memungkinkan modulasi cahaya hingga frekuensi 10 THz. Selain itu, karena hubungan linier antara indeks bias dan kuat medan listrik, distorsi nonlinier selama modulasi cahaya relatif kecil.

Modulator optik lainnya didasarkan pada efek seperti penyerapan elektro atau pantulan elektro cahaya di bawah pengaruh medan listrik yang diterapkan, namun efek ini diekspresikan secara lemah dalam silikon.

Modulasi cahaya pada silikon dapat dicapai berdasarkan efek termal. Artinya, ketika suhu silikon berubah, indeks bias dan koefisien penyerapan cahayanya berubah. Namun, karena adanya histeresis, modulator tersebut agak lembam dan tidak memungkinkan diperolehnya laju modulasi lebih tinggi dari beberapa kilohertz.

Metode modulasi radiasi lain berdasarkan modulator silikon didasarkan pada pengaruh penyerapan cahaya pada pembawa bebas (lubang atau elektron). Metode modulasi ini juga tidak memungkinkan diperolehnya kecepatan tinggi, karena dikaitkan dengan pergerakan fisik muatan di dalam modulator silikon, yang dengan sendirinya merupakan proses inert. Pada saat yang sama, perlu dicatat bahwa modulator silikon berdasarkan efek yang dijelaskan secara teoritis dapat mendukung kecepatan modulasi hingga 1 GHz, namun dalam praktiknya, modulator sejauh ini hanya diterapkan dengan kecepatan hingga 20 MHz.

Terlepas dari semua kesulitan dalam menggunakan silikon sebagai bahan sirkuit optik, kemajuan signifikan baru-baru ini telah dicapai dalam arah ini. Ternyata, doping silikon dengan erbium (Er) mengubah struktur celah pita sedemikian rupa sehingga rekombinasi muatan disertai dengan emisi foton, sehingga silikon dapat digunakan untuk menghasilkan laser semikonduktor. Laser komersial pertama berdasarkan silikon yang didoping diciptakan oleh ST Micro-electronics. Penggunaan laser semikonduktor yang dapat disetel, yang ditunjukkan oleh Intel pada tahun 2002, juga menjanjikan. Laser semacam itu menggunakan interferometer Fabry-Perot sebagai resonator dan memancarkan pada beberapa frekuensi (mode multi-mode). Untuk mengisolasi radiasi monokromatik, filter eksternal khusus berdasarkan kisi difraksi (filter dispersi) digunakan - Gambar. 2.

Beras. 2. Laser merdu dengan filter
berdasarkan kisi-kisi dispersi

Sistem laser yang dihasilkan dengan resonator dispersif eksternal memungkinkan penyesuaian panjang gelombang radiasi. Secara tradisional, penyetelan filter yang presisi relatif terhadap resonator digunakan untuk mendapatkan panjang gelombang yang diperlukan.

Intel mampu menciptakan laser yang dapat disetel tanpa bagian yang bergerak sama sekali. Ini terdiri dari laser multimode berbiaya rendah dengan kisi yang tertanam di dalam pandu gelombang. Dengan mengubah suhu kisi, Anda dapat menyesuaikan panjang gelombang tertentu, yaitu beralih di antara mode laser individual.

Modulator optik silikon

Pada bulan Februari 2004, Intel membuat terobosan lain di bidang fotonik silikon, mendemonstrasikan modulator fase optik silikon pertama di dunia pada 1 GHz.

Modulator ini didasarkan pada efek hamburan cahaya pada pembawa muatan bebas dan dalam banyak hal strukturnya mirip dengan transistor CMOS berdasarkan teknologi SOI (silikon pada isolator). Struktur modulator fase optik ditunjukkan pada Gambar. 3.

Beras. 3. Diagram blok modulator fase silikon optik

Lapisan silikon kristal terletak pada substrat silikon kristal dengan lapisan isolator (silikon dioksida) N-jenis. Berikutnya adalah lapisan silikon dioksida, di tengahnya terdapat lapisan silikon polikristalin P-tipe yang menjalankan fungsi pandu gelombang. Lapisan ini dipisahkan dari silikon kristal N-tipe dengan lapisan isolator paling tipis (dielektrik gerbang) yang ketebalannya hanya 120 angstrom. Untuk meminimalkan hamburan cahaya akibat kontak logam, kontak logam dipisahkan dari lapisan silikon oksida oleh lapisan tipis silikon polikristalin di kedua sisi pandu gelombang.

Ketika tegangan positif diterapkan pada elektroda kontrol, muatan diinduksi pada kedua sisi dielektrik gerbang, dan pada sisi pandu gelombang (silikon polikristalin). P-type) ini adalah lubang, dan di sisi silikon N-tipe - elektron bebas.

Dengan adanya muatan bebas dalam silikon, indeks bias silikon berubah. Perubahan indeks bias pada gilirannya menyebabkan pergeseran fasa gelombang cahaya yang lewat.

Modulator yang dibahas di atas memungkinkan modulasi fase sinyal referensi. Untuk mengubah modulasi fase menjadi amplitudo (sinyal termodulasi fase sulit dideteksi jika tidak ada sinyal referensi), modulator optik juga menggunakan interferometer Mach-Zehnder (MZI), yang memiliki dua lengan, yang masing-masing lengan modulator optik fase terintegrasi (Gbr. 4).

Beras. 4. Diagram blok modulator optik

Penggunaan modulator optik fase di kedua lengan interferometer memungkinkan untuk memastikan kesetaraan panjang optik lengan interferometer.

Gelombang cahaya referensi yang merambat sepanjang serat optik dipecah oleh pemisah Y menjadi dua gelombang koheren, yang masing-masing merambat sepanjang salah satu lengan interferometer. Jika pada titik persambungan lengan-lengan interferometer kedua gelombang sefase, maka akibat penjumlahan gelombang-gelombang tersebut akan diperoleh gelombang yang sama (dalam hal ini rugi-rugi kita abaikan) seperti sebelum interferometer (interferensi konstruktif) . Jika gelombang bertambah dalam antifase (interferensi destruktif), maka sinyal yang dihasilkan akan memiliki amplitudo nol.

Pendekatan ini memungkinkan modulasi amplitudo sinyal pembawa - dengan menerapkan tegangan ke salah satu modulator fase, fase gelombang di salah satu lengan interferometer diubah menjadi N atau tidak berubah sama sekali, sehingga memberikan kondisi terjadinya interferensi destruktif atau konstruktif. Jadi, menerapkan tegangan ke modulator fasa dengan frekuensi F, dimungkinkan untuk memodulasi amplitudo sinyal dengan frekuensi yang sama F.

Sebagaimana dicatat, modulator optik silikon Intel, yang didemonstrasikan pada bulan Februari 2004, mampu memodulasi cahaya pada 1 GHz. Selanjutnya, pada bulan April 2005, Intel mendemonstrasikan modulator yang beroperasi pada frekuensi 10 GHz.

Laser silikon gelombang kontinu berdasarkan efek Raman

Pada bulan Februari 2005, Intel mengumumkan terobosan teknologi lainnya - penciptaan laser silikon gelombang kontinu berdasarkan efek Raman.

Efek Raman telah digunakan cukup lama dan banyak digunakan untuk membuat penguat cahaya dan laser berbasis serat optik.

Prinsip pengoperasian perangkat tersebut adalah sebagai berikut. Radiasi laser (radiasi pompa) dengan panjang gelombang dimasukkan ke dalam serat optik (Gbr. 5). Dalam serat optik, foton diserap oleh atom-atom kisi kristal, yang akibatnya mulai “bergoyang” (fonon getaran terbentuk), dan sebagai tambahan, foton dengan energi lebih rendah terbentuk. Artinya, penyerapan setiap foton dengan panjang gelombang aku = 1,55 mm mengarah pada pembentukan fonon dan foton dengan panjang gelombang aku = 1,63 mm.

Beras. 5. Prinsip pengoperasian penguat cahaya karena efek Raman

Sekarang bayangkan ada juga radiasi termodulasi, yang dimasukkan ke dalam serat yang sama dengan radiasi pompa, dan menyebabkan terstimulasi emisi foton. Akibatnya, radiasi pompa dalam serat tersebut secara bertahap diubah menjadi sinyal, termodulasi, radiasi yang diperkuat, yaitu efek amplifikasi optik tercapai (Gbr. 6).

Beras. 6. Menggunakan efek Raman untuk amplifikasi
radiasi termodulasi dalam serat optik

Masalahnya, bagaimanapun, adalah bahwa konversi berkas pompa menjadi radiasi sinyal dan, oleh karena itu, amplifikasi radiasi sinyal memerlukan radiasi sinyal dan radiasi pompa untuk menempuh jarak beberapa kilometer di sepanjang serat optik. Tentu saja, rangkaian amplifikasi yang didasarkan pada serat optik berkilo-kilometer tidak dapat disebut sederhana dan murah, sehingga penggunaannya sangat terbatas.

Tidak seperti kaca, yang menjadi dasar serat optik, efek Raman pada silikon 10 ribu kali lebih kuat, dan untuk mencapai hasil yang sama seperti pada serat optik, radiasi pompa dan radiasi sinyal cukup untuk merambat bersama dalam jarak. hanya beberapa sentimeter. Dengan demikian, penggunaan efek Raman dalam silikon memungkinkan terciptanya penguat cahaya atau laser optik yang mini dan murah.

Proses pembuatan penguat optik silikon, atau laser Raman, dimulai dengan pembuatan pandu gelombang silikon optik. Proses teknologi ini tidak berbeda dengan proses pembuatan chip CMOS tradisional menggunakan substrat silikon, yang tentu saja merupakan keuntungan besar karena secara signifikan mengurangi biaya proses produksi itu sendiri.

Radiasi yang dimasukkan ke dalam pandu gelombang silikon hanya bergerak beberapa sentimeter, setelah itu (karena efek Raman) radiasi tersebut sepenuhnya diubah menjadi radiasi sinyal dengan panjang gelombang yang lebih panjang.

Selama percobaan, ternyata disarankan untuk meningkatkan daya radiasi pompa hanya sampai batas tertentu, karena peningkatan daya lebih lanjut tidak menyebabkan peningkatan radiasi sinyal, tetapi sebaliknya, melemahnya. Alasan terjadinya efek ini adalah apa yang disebut penyerapan dua foton, yang artinya adalah sebagai berikut. Silikon adalah zat yang transparan secara optik terhadap radiasi infra merah, karena energi foton infra merah lebih kecil dari celah pita silikon dan tidak cukup untuk mentransfer atom silikon ke keadaan tereksitasi dengan pelepasan elektron. Namun, jika kerapatan foton tinggi, maka dapat timbul situasi ketika dua foton bertabrakan dengan atom silikon secara bersamaan. Dalam hal ini, energi totalnya cukup untuk mentransfer atom dengan pelepasan elektron, yaitu atom masuk ke keadaan tereksitasi dengan penyerapan dua foton secara bersamaan. Proses ini disebut penyerapan dua foton.

Elektron bebas yang dihasilkan oleh penyerapan dua foton pada gilirannya menyerap radiasi pompa dan radiasi sinyal, sehingga menghasilkan pengurangan kuat dalam efek penguatan optik. Oleh karena itu, semakin tinggi daya radiasi pompa, semakin kuat efek penyerapan dua foton dan penyerapan radiasi oleh elektron bebas. Konsekuensi negatif dari penyerapan cahaya dua foton mencegah terciptanya laser silikon gelombang kontinu untuk waktu yang lama.

Dalam laser silikon yang dibuat di laboratorium Intel, untuk pertama kalinya dimungkinkan untuk menghindari efek penyerapan radiasi dua foton, atau lebih tepatnya bukan fenomena penyerapan dua foton itu sendiri, tetapi konsekuensi negatifnya - penyerapan radiasi pada elektron bebas yang terbentuk. Laser silikon disebut struktur PIN (tipe P - Intrinsik - tipe N) (Gbr. 7). Dalam struktur ini, pandu gelombang silikon tertanam di dalam struktur semikonduktor dengan wilayah P dan N. Struktur ini mirip dengan rangkaian transistor planar dengan saluran dan sumber, dan sebagai pengganti gerbang, pandu gelombang silikon terintegrasi. Pandu gelombang silikon itu sendiri dibentuk sebagai daerah penampang persegi panjang silikon (indeks bias 3,6), dikelilingi oleh cangkang silikon oksida (indeks bias 1,5). Berkat perbedaan indeks bias silikon kristal dan silikon oksida, dimungkinkan untuk membentuk pandu gelombang optik dan menghindari kehilangan radiasi akibat propagasi transversal.

Beras. 7. Struktur PIN laser silikon gelombang kontinu

Dengan menggunakan struktur gelombang seperti itu dan laser pompa dengan daya sepersekian watt, dimungkinkan untuk menciptakan radiasi dalam pandu gelombang dengan kepadatan sekitar 25 MW/cm 2, yang bahkan lebih tinggi dari kepadatan radiasi itu. dapat diperoleh dengan menggunakan laser semikonduktor berdaya tinggi. Penguatan Raman pada kepadatan radiasi ini tidak terlalu tinggi (beberapa desibel per sentimeter), tetapi kepadatan ini cukup memadai untuk penerapan laser.

Untuk menghilangkan efek negatif penyerapan radiasi oleh elektron bebas yang dihasilkan dalam pandu gelombang akibat penyerapan dua foton, pandu gelombang silikon ditempatkan di antara dua gerbang. Jika perbedaan potensial tercipta antara gerbang-gerbang ini, maka di bawah pengaruh medan listrik, elektron bebas dan lubang akan “ditarik” keluar dari pandu gelombang silikon, sehingga menghilangkan konsekuensi negatif dari penyerapan dua foton.

Untuk membentuk laser berdasarkan struktur PIN ini, perlu menambahkan dua cermin di ujung pandu gelombang, salah satunya harus tembus cahaya (Gbr. 8).

Beras. 8. Skema laser silikon gelombang kontinu

Laser silikon hibrida

Laser silikon gelombang kontinu berdasarkan efek Raman pada dasarnya memerlukan sumber radiasi eksternal, yang digunakan sebagai radiasi pompa. Dalam hal ini, laser ini tidak menyelesaikan salah satu masalah utama fotonik silikon - kemampuan untuk mengintegrasikan semua blok struktural (sumber radiasi, filter, modulator, demodulator, pandu gelombang, dll.) ke dalam satu chip silikon.

Selain itu, penggunaan sumber radiasi optik eksternal (terletak di luar chip atau bahkan di permukaannya) memerlukan akurasi penyelarasan laser yang sangat tinggi dibandingkan dengan pandu gelombang silikon, karena ketidakselarasan beberapa mikron dapat menyebabkan tidak dapat dioperasikannya seluruh perangkat (Gbr. 2). 9). Persyaratan untuk penyesuaian yang presisi tidak memungkinkan perangkat kelas ini dibawa ke pasar massal dan membuatnya cukup mahal. Oleh karena itu, penyelarasan laser silikon terhadap pandu gelombang silikon adalah salah satu tugas terpenting dalam fotonik silikon.

Beras. 9. Saat menggunakan laser eksternal, diperlukan penyelarasan laser yang presisi
dan pandu gelombang

Masalah ini dapat diatasi jika laser dan pandu gelombang dibuat dalam satu kristal dalam proses teknologi yang sama. Itulah sebabnya penciptaan laser silikon hibrida dapat dianggap membawa fotonik silikon ke tingkat yang baru.

Prinsip pengoperasian laser hibrida tersebut cukup sederhana dan didasarkan pada sifat emisi indium fosfida (InP) dan kemampuan silikon untuk menghantarkan cahaya.

Struktur laser hibrida ditunjukkan pada Gambar. 10. Indium fosfida, yang bertindak sebagai zat aktif laser semikonduktor, terletak tepat di atas pandu gelombang silikon dan dipisahkan oleh lapisan tipis dielektrik (ketebalannya hanya 25 lapisan atom) - silikon oksida, yaitu “ transparan” terhadap radiasi yang dihasilkan. Ketika tegangan diterapkan di antara elektroda, aliran elektron terjadi dalam arah dari elektroda negatif ke positif. Akibatnya, arus listrik melewati struktur kristal indium fosfida. Ketika arus listrik melewati indium fosfida, proses rekombinasi lubang dan elektron menghasilkan foton, yaitu radiasi. Radiasi ini langsung mengenai pandu gelombang silikon.

Beras. 10. Struktur laser silikon hibrida

Struktur laser silikon yang dijelaskan tidak memerlukan penyelarasan tambahan laser relatif terhadap pandu gelombang silikon, karena posisi relatifnya relatif satu sama lain diwujudkan dan dikontrol secara langsung selama pembentukan struktur monolitik laser hibrida.

Proses produksi laser hybrid tersebut dibagi menjadi beberapa tahap utama. Awalnya, dalam "sandwich" yang terdiri dari lapisan silikon, lapisan isolator (silikon oksida) dan lapisan silikon lainnya, struktur pandu gelombang dibentuk dengan cara etsa (Gbr. 11), dan tahap teknologi produksi ini tidak berbeda dengan proses tersebut. yang digunakan selama produksi sirkuit mikro

Beras. 11. Pembentukan struktur pandu gelombang pada silikon

Selanjutnya, perlu dibentuk struktur kristal indium fosfida pada permukaan pandu gelombang. Daripada menggunakan proses yang rumit secara teknologi untuk menumbuhkan struktur kristal indium fosfida pada struktur pandu gelombang yang sudah terbentuk, substrat indium fosfida bersama dengan lapisan semikonduktor N-tipe dibentuk secara terpisah, yang jauh lebih sederhana dan lebih murah. Tantangannya adalah memasangkan indium fosfida ke struktur pandu gelombang.

Untuk melakukan ini, baik struktur pandu gelombang silikon dan substrat indium fosfida mengalami proses oksidasi dalam plasma oksigen suhu rendah. Sebagai hasil dari oksidasi ini, lapisan oksida dengan ketebalan hanya 25 lapisan atom tercipta pada permukaan kedua bahan (Gbr. 12).

Beras. 12. Substrat indium fosfida
dengan lapisan oksida yang terbentuk

Ketika dua bahan dipanaskan dan ditekan bersama-sama, lapisan oksida bertindak sebagai lem transparan, menggabungkannya menjadi satu kristal (Gbr. 13).

Beras. 13. “Merekatkan” struktur pandu gelombang silikon
dengan dukungan indium fosfida

Justru karena laser silikon dengan desain yang dijelaskan terdiri dari dua bahan yang direkatkan sehingga disebut hibrida. Setelah proses pengikatan, kelebihan indium fosfida dihilangkan dengan etsa dan kontak logam terbentuk.

Proses teknologi untuk memproduksi laser silikon hibrida memungkinkan puluhan bahkan ratusan laser ditempatkan pada satu chip (Gbr. 14).

Beras. 14. Skema sebuah chip yang berisi empat
laser silikon hibrida

Chip pertama, yang didemonstrasikan oleh Intel bekerja sama dengan Universitas California, berisi tujuh laser silikon hibrida (Gbr. 15).

Beras. 15. Radiasi dari tujuh laser silikon hibrida,
dibuat dalam satu chip

Laser hibrida ini beroperasi pada panjang gelombang 1577 nm pada arus ambang 65 mA dengan daya keluaran hingga 1,8 mW.

Saat ini, laser silikon hibrida beroperasi pada suhu di bawah 40 °C, namun di masa mendatang direncanakan untuk meningkatkan suhu pengoperasian hingga 70 °C dan mengurangi arus ambang batas hingga 20 mA.

Masa Depan Fotonik Silikon

Pengembangan laser silikon hibrid dapat mempunyai implikasi yang luas terhadap fotonik silikon dan mengantarkan era komputasi kinerja tinggi.

Dalam waktu dekat, lusinan laser silikon, modulator, dan multiplekser akan diintegrasikan ke dalam chip, yang memungkinkan terciptanya saluran komunikasi optik dengan throughput terabit (Gbr. 16).

Beras. 16. Sirkuit mikro saluran komunikasi optik,
berisi lusinan laser silikon,
filter, modulator, dan multiplekser

“Dengan pengembangan ini, kami akan mampu membuat bus data optik berbiaya rendah dengan bandwidth terabit untuk komputer masa depan. Dengan demikian, kami akan mampu mendekatkan era baru komputasi performa tinggi,” kata Mario Paniccia, direktur Photonics Technology Lab di Intel Corporation. “Meskipun penggunaan komersial teknologi ini masih jauh, kami yakin bahwa puluhan atau bahkan ratusan laser silikon hibrida, serta komponen berbasis fotonik silikon lainnya, dapat diakomodasi dalam satu chip silikon.”