Silizium-Photonik als Alternative zu Kupfer-Innenverbindungen. SNIPER: strahlende Zukunft der Silizium-Nanophotonik Stand der Technik und Entwicklungsperspektiven der Silizium-Photonik

Am 18. September dieses Jahres stellte Intel zusammen mit der University of California, Santa Barbara, den weltweit ersten elektrisch gepumpten Hybrid-Siliziumlaser vor, der die Fähigkeit kombiniert, Licht zu emittieren und durch einen Silizium-Wellenleiter zu übertragen, und außerdem die Vorteile der niedrigen Kosten nutzt der Siliziumproduktion. . Die Schaffung eines Hybrid-Siliziumlasers ist ein weiterer Schritt hin zu Siliziumchips, die Dutzende oder sogar Hunderte von billigen Lasern enthalten, die in Zukunft die Grundlage der Computerelektronik bilden werden.

Geschichte der Siliziumphotonik

Siliziumphotonik ist eine der Hauptrichtungen in der Forschungsarbeit der Intel Corporation. Der nächste Durchbruch des Unternehmens auf diesem Gebiet war die Entwicklung des weltweit ersten elektrisch gepumpten Hybrid-Siliziumlasers.

Tatsächlich wurde nun der Weg für die Herstellung von optischen Verstärkern, Lasern und Lichtwellenlängenwandlern unter Verwendung der etablierten Technologie zur Herstellung von Silizium-Mikroschaltungen geebnet. Die „Silikonisierung“ der Photonik wird nach und nach Realität und ermöglicht es zukünftig, kostengünstige optische Hochleistungsschaltungen zu schaffen, die den Datenaustausch sowohl innerhalb als auch außerhalb des PCs ermöglichen.

Optische Kommunikationssysteme haben bestimmte Vorteile gegenüber herkömmlichen Kabelsystemen, von denen der wichtigste ihre enorme Bandbreite ist. Beispielsweise können heute in Kommunikationssystemen verwendete Lichtwellenleiter gleichzeitig bis zu 128 verschiedene Datenströme übertragen. Die theoretische Grenze für die Datenübertragung über Glasfaser wird auf 100 Billionen Bits pro Sekunde geschätzt. Um diese enorme Zahl darzustellen, machen wir einen einfachen Vergleich: Eine solche Bandbreite reicht völlig aus, um die Übertragung von Telefongesprächen gleichzeitig zu allen Bewohnern des Planeten zu gewährleisten. Daher ist es durchaus verständlich, dass optische Kommunikationssysteme die Aufmerksamkeit aller Forschungslabors auf sich ziehen.

Um Informationen mittels Lichtstrahlung zu übertragen, sind mehrere obligatorische Komponenten erforderlich: Strahlungsquellen (Laser), Lichtwellenmodulatoren, durch die Informationen in die Lichtwelle eingebettet werden, Detektoren und optische Fasern für die Datenübertragung.

Mit Hilfe mehrerer Laser, die Wellen unterschiedlicher Wellenlänge aussenden, und Modulatoren ist es möglich, viele Datenströme gleichzeitig über eine einzige Glasfaser zu übertragen. Auf der Empfangsseite wird zur Informationsverarbeitung ein optischer Demultiplexer verwendet, der Träger mit unterschiedlichen Wellenlängen vom eingehenden Signal trennt, und optische Detektoren, die es ermöglichen, optische Signale in elektrische umzuwandeln. Das Blockdiagramm des optischen Kommunikationssystems ist in Fig. 1 gezeigt. 1.

Reis. 1. Strukturdiagramm eines optischen Kommunikationssystems

Die Forschung auf dem Gebiet optischer Kommunikationssysteme und optischer Schaltungen begann bereits in den 1970er Jahren – damals wurden optische Schaltungen als eine Art optischer Prozessor oder superoptischer Chip präsentiert, in dem ein Sendegerät, ein Modulator, ein Verstärker, ein Detektor usw alle notwendigen elektronischen Komponenten. Die praktische Umsetzung dieser Idee wurde jedoch dadurch erschwert, dass die Komponenten optischer Schaltungen aus unterschiedlichen Materialien bestanden, so dass es unmöglich war, alle notwendigen Komponenten in einer einzigen Plattform (Chip) auf Siliziumbasis zu integrieren. Trotz des Siegeszuges von Silizium auf dem Gebiet der Elektronik schien sein Einsatz in der Optik höchst zweifelhaft.

Die Untersuchung der Möglichkeit, Silizium für optische Schaltungen zu verwenden, wird seit vielen Jahren durchgeführt - seit der zweiten Hälfte der 1980er Jahre. In dieser Zeit wurden jedoch nur wenige Fortschritte erzielt. Im Vergleich zu anderen Materialien brachten Versuche, Silizium zum Bau optischer Schaltkreise zu verwenden, nicht die erwarteten Ergebnisse.

Tatsache ist, dass aufgrund der strukturellen Merkmale der Bandlücke des Kristallgitters von Silizium die Rekombination von Ladungen darin hauptsächlich zur Wärmefreisetzung und nicht zur Emission von Photonen führt, wodurch es nicht zur Erzeugung verwendet werden kann Halbleiterlaser, die Quellen kohärenter Strahlung sind. Gleichzeitig wird in Halbleitern wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid die Rekombinationsenergie hauptsächlich in Form von Infrarotphotonen freigesetzt, sodass diese Materialien als Photonenquellen dienen und zur Herstellung von Lasern verwendet werden können.

Ein weiterer Grund, der die Verwendung von Silizium als Material zur Herstellung optischer Schaltungen verhindert, ist, dass Silizium keinen linearen elektrooptischen Pockels-Effekt hat, auf dessen Basis traditionelle schnelle optische Modulatoren aufgebaut sind. Der Pockels-Effekt besteht darin, dass sich der Brechungsindex von Licht in einem Kristall unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes ändert. Durch diesen Effekt kann Licht moduliert werden, da eine Änderung des Brechungsindex eines Stoffes in entsprechender Weise zu einer Änderung der Phase der transmittierten Strahlung führt.

Der Pockels-Effekt tritt nur in Piezoelektrika auf und erlaubt aufgrund seiner geringen Trägheit theoretisch eine Lichtmodulation bis zu einer Frequenz von 10 THz. Außerdem ist aufgrund der linearen Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der elektrischen Feldstärke die nichtlineare Verzerrung, wenn das Licht moduliert wird, relativ klein.

Andere optische Modulatoren basieren auf solchen Effekten wie Elektroabsorption oder Elektrobrechung von Licht unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Felds, jedoch werden diese Effekte auch in Silizium schwach ausgedrückt.

Die Modulation von Licht in Silizium kann auf der Grundlage des thermischen Effekts erreicht werden. Das heißt, wenn sich die Siliziumtemperatur ändert, ändern sich sein Brechungsindex und sein Lichtabsorptionskoeffizient. Aufgrund des Vorhandenseins von Hysterese sind solche Modulatoren jedoch ziemlich träge und erlauben keine höhere Modulationsrate als einige Kilohertz.

Ein weiteres Verfahren zur Strahlungsmodulation auf Basis von Siliziummodulatoren basiert auf der Wirkung der Lichtabsorption auf freie Ladungsträger (Löcher oder Elektronen). Dieses Modulationsverfahren ermöglicht auch keine hohen Geschwindigkeiten, da es mit der physikalischen Bewegung von Ladungen innerhalb des Siliziummodulators verbunden ist, was an sich ein inerter Prozess ist. Gleichzeitig ist anzumerken, dass Siliziummodulatoren basierend auf dem beschriebenen Effekt theoretisch eine Modulationsrate bis zu 1 GHz aufrechterhalten können, in der Praxis wurden jedoch bisher Modulatoren mit einer Rate von bis zu 20 MHz implementiert.

Trotz aller Schwierigkeiten bei der Verwendung von Silizium als Material für optische Schaltungen wurden in letzter Zeit erhebliche Fortschritte in dieser Richtung erzielt. Wie sich herausstellte, verändert die Dotierung von Silizium mit Erbium (Er) die Struktur der Bandlücke derart, dass die Ladungsrekombination mit der Emission von Photonen einhergeht, d. h. es wird möglich, aus Silizium Halbleiterlaser zu erhalten . Der erste kommerzielle dotierte Siliziumlaser wurde von ST Micro-electronics entwickelt. Vielversprechend ist auch der Einsatz abstimmbarer Halbleiterlaser, den Intel bereits 2002 demonstriert hat. Solche Laser verwenden ein Fabry-Perot-Interferometer als Resonator und emittieren auf mehreren Frequenzen (Multimode). Um monochromatische Strahlung zu isolieren, werden spezielle externe Filter auf der Basis von Beugungsgittern (dispersive Filter) verwendet - Abb. 2.

Reis. 2. Abstimmbare Laser mit Filtern
basierend auf Dispersionsgittern

Das resultierende Lasersystem mit einem externen dispersiven Resonator ermöglicht es, die Strahlungswellenlänge abzustimmen. Traditionell werden die Filter relativ zum Resonator fein abgestimmt, um die erforderliche Wellenlänge zu erhalten.

Intel ist es gelungen, einen abstimmbaren Laser zu entwickeln, der überhaupt keine beweglichen Teile hat. Es besteht aus einem kostengünstigen Multimode-Laser mit einem Gitter, das in einen Wellenleiter eingebettet ist. Durch Veränderung der Gittertemperatur kann auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt, also zwischen einzelnen Lasermoden umgeschaltet werden.

Optische Modulatoren aus Silizium

Im Februar 2004 erzielte Intel einen weiteren Durchbruch in der Silizium-Photonik, indem es den weltweit ersten optischen Silizium-Phasenmodulator bei 1 GHz vorführte.

Dieser Modulator basiert auf dem Effekt der Lichtstreuung an freien Ladungsträgern und ähnelt in seinem Aufbau in vielerlei Hinsicht einem CMOS-Transistor auf Basis der SOI-Technologie (Silicon on Insulator). Die Struktur des optischen Phasenmodulators ist in Fig. 1 gezeigt. 3.

Reis. 3. Strukturdiagramm eines optischen Silizium-Phasenmodulators

Auf einem Substrat aus kristallinem Silizium mit einer Isolatorschicht (Siliziumdioxid) befindet sich eine Schicht aus kristallinem Silizium n-Art. Darauf folgt eine Schicht aus Siliziumdioxid, in deren Mitte sich eine Schicht aus polykristallinem Silizium befindet p-Typ, der die Funktion eines Wellenleiters erfüllt. Diese Schicht ist vom kristallinen Silizium getrennt n-Typ die dünnste Isolatorschicht (Gate-Dielektrikum), deren Dicke nur 120 Angström beträgt. Um die Lichtstreuung aufgrund des Metallkontakts zu minimieren, sind die Metallkontakte von der Siliziumoxidschicht durch eine dünne Schicht aus polykristallinem Silizium auf beiden Seiten des Wellenleiters getrennt.

Beim Anlegen einer positiven Spannung an die Gate-Elektrode wird auf beiden Seiten des Gate-Dielektrikums und auf der Seite des Wellenleiters (polykristallines Silizium) eine Ladung induziert p-Typ) Dies sind Löcher und von der Seite des Siliziums n-Typ - freie Elektronen.

In Anwesenheit von freien Ladungen in Silizium ändert sich der Brechungsindex von Silizium. Eine Änderung des Brechungsindex bewirkt wiederum eine Phasenverschiebung der übertragenen Lichtwelle.

Der oben betrachtete Modulator ermöglicht es, eine Phasenmodulation des Referenzsignals zu erzeugen. Um die Phasenmodulation in eine Amplitudenmodulation umzuwandeln (ein in Phase moduliertes Signal ist ohne Referenzsignal schwer zu detektieren), verwendet der optische Modulator zusätzlich ein Mach-Zender-Interferometer (MZI), das jeweils zwei Arme hat integriert einen phasenoptischen Modulator (Abb. 4).

Reis. 4. Blockdiagramm des optischen Modulators

Die Verwendung von phasenoptischen Modulatoren in beiden Armen des Interferometers ermöglicht es, die Gleichheit der optischen Längen der Arme der Interferometer sicherzustellen.

Die sich entlang der optischen Faser ausbreitende Referenzlichtwelle wird durch einen Y-Splitter in zwei kohärente Wellen geteilt, von denen sich jede entlang einem der Arme des Interferometers ausbreitet. Sind beide Wellen am Verbindungspunkt der Interferometerarme in Phase, so erhält man durch Addition dieser Wellen (Verluste werden dabei vernachlässigt) die gleiche Welle wie vor dem Interferometer (konstruktive Interferenz). Wenn die Wellen gegenphasig hinzugefügt werden (destruktive Interferenz), hat das resultierende Signal eine Amplitude von Null.

Dieser Ansatz ermöglicht es, eine Amplitudenmodulation des Trägersignals auszuführen – durch Anlegen einer Spannung an einen der Phasenmodulatoren wird die Phase der Welle in einem der Arme des Interferometers geändert n oder sich überhaupt nicht ändern, wodurch eine Bedingung für destruktive oder konstruktive Interferenz geschaffen wird. Somit wird eine Spannung mit einer Frequenz an den Phasenmodulator angelegt f ist eine Amplitudenmodulation des Signals mit der gleichen Frequenz möglich f.

Wie bereits erwähnt, war der im Februar 2004 vorgestellte optische Siliziummodulator von Intel in der Lage, Strahlung mit einer Geschwindigkeit von 1 GHz zu modulieren. Anschließend demonstrierte Intel im April 2005 einen Modulator, der mit einer Frequenz von 10 GHz arbeitet.

Kontinuierlicher Raman-Siliziumlaser

Im Februar 2005 kündigte Intel einen weiteren technologischen Durchbruch an – die Entwicklung eines auf dem Raman-Effekt basierenden Dauerstrich-Siliziumlasers.

Der Raman-Effekt wird schon seit geraumer Zeit verwendet und ist weit verbreitet, um Lichtverstärker und Laser auf der Basis optischer Fasern herzustellen.

Das Funktionsprinzip solcher Geräte ist wie folgt. Laserstrahlung (Pumpstrahlung) mit einer Wellenlänge wird in eine optische Faser eingekoppelt (Abb. 5). In einer optischen Faser werden Photonen von Atomen des Kristallgitters absorbiert, die dadurch zu „schwingen“ beginnen (es entstehen Schwingungsphononen), außerdem entstehen Photonen mit geringerer Energie. Das heißt, die Absorption jedes Photons mit einer Wellenlänge l = 1,55 mm führt zur Bildung eines Phonons und eines Photons mit einer Wellenlänge l = 1,63 mm.

Reis. 5. Das Funktionsprinzip eines Lichtverstärkers aufgrund des Raman-Effekts

Stellen Sie sich nun vor, dass es auch modulierte Strahlung gibt, die in dieselbe Faser wie die Pumpstrahlung eingekoppelt wird und zu einer stimulierten Emission von Photonen führt. Dadurch wird die Pumpstrahlung in einer solchen Faser allmählich in signalmodulierte, verstärkte Strahlung umgewandelt, dh der Effekt der optischen Verstärkung wird erreicht (Abb. 6).

Reis. 6. Verwendung des Raman-Effekts zur Verbesserung
modulierte Strahlung in Glasfaser

Das Problem besteht jedoch darin, dass eine solche Umwandlung des Pumpstrahls in Signalstrahlung und dementsprechend eine Verstärkung der Signalstrahlung erfordert, dass sowohl die Signalstrahlung als auch die Pumpstrahlung mehrere Kilometer entlang der Faser laufen. Natürlich können Verstärkungsschemata, die auf Glasfasern von mehreren Kilometern basieren, nicht als einfach und billig bezeichnet werden, wodurch ihre Anwendung erheblich eingeschränkt ist.

Im Gegensatz zu Glas, das die Grundlage einer optischen Faser bildet, ist der Raman-Effekt in Silizium 10.000 Mal stärker, und um das gleiche Ergebnis wie in einer optischen Faser zu erzielen, reicht es aus, dass sich Pumpstrahlung und Signalstrahlung nur wenige gemeinsam ausbreiten Zentimeter . So ermöglicht die Nutzung des Raman-Effekts in Silizium die Herstellung von Miniatur- und billigen Lichtverstärkern oder optischen Lasern.

Der Prozess der Herstellung eines optischen Siliziumverstärkers oder Raman-Lasers beginnt mit der Herstellung eines optischen Wellenleiters aus Silizium. Dieser technologische Prozess unterscheidet sich nicht von der Herstellung herkömmlicher CMOS-Chips auf Siliziumsubstraten, was natürlich ein großer Vorteil ist, da er die Kosten des Herstellungsprozesses selbst erheblich senkt.

Die in einen solchen Silizium-Wellenleiter eingespeiste Strahlung legt nur wenige Zentimeter zurück und wird dann (aufgrund des Raman-Effekts) vollständig in Signalstrahlung mit längerer Wellenlänge umgewandelt.

Im Laufe der Versuche hat sich herausgestellt, dass es sinnvoll ist, die Pumpstrahlungsleistung nur bis zu einer gewissen Grenze zu erhöhen, da eine weitere Leistungssteigerung nicht zu einer Erhöhung der Signalstrahlung führt, sondern im Gegenteil zu seiner Schwächung. Der Grund für diesen Effekt ist die sogenannte Zwei-Photonen-Absorption, deren Bedeutung folgende ist. Silizium ist eine optisch transparente Substanz für Infrarotstrahlung, da die Energie von Infrarotphotonen kleiner als die Bandlücke von Silizium ist und es nicht ausreicht, Siliziumatome unter Freisetzung eines Elektrons in einen angeregten Zustand zu überführen. Wenn jedoch die Photonendichte hoch ist, kann es vorkommen, dass zwei Photonen gleichzeitig mit einem Siliziumatom kollidieren. In diesem Fall reicht ihre Gesamtenergie aus, um das Atom unter Abgabe eines Elektrons zu überführen, d. h. das Atom geht bei gleichzeitiger Absorption von zwei Photonen in einen angeregten Zustand über. Dieser Vorgang wird Zwei-Photonen-Absorption genannt.

Freie Elektronen, die durch Zwei-Photonen-Absorption entstehen, absorbieren wiederum sowohl Pump- als auch Signalstrahlung, was zu einer starken Abschwächung des optischen Verstärkungseffekts führt. Je höher die Pumpstrahlungsleistung ist, desto stärker ist dementsprechend die Wirkung der Zwei-Photonen-Absorption und Absorption von Strahlung auf freie Elektronen. Die negative Folge der Zwei-Photonen-Absorption von Licht verhinderte lange Zeit die Schaffung eines Dauerstrich-Siliziumlasers.

In einem im Intel-Labor entwickelten Siliziumlaser war es erstmals möglich, den Effekt der Zwei-Photonen-Absorption von Strahlung zu vermeiden, genauer gesagt nicht das Phänomen der Zwei-Photonen-Absorption selbst, sondern ihre negativen Folgen - die Absorption Strahlung auf die entstehenden freien Elektronen. Der Siliziumlaser ist eine sogenannte PIN-Struktur (P-Typ – Intrinsic – N-Typ) (Abb. 7). Bei einer solchen Struktur ist ein Silizium-Wellenleiter in eine Halbleiterstruktur mit einem P- und einem N-Bereich eingebettet. Eine solche Struktur ähnelt einer planaren Transistorschaltung mit Drain und Source, und anstelle eines Gates ist ein Silizium-Wellenleiter integriert. Der Silizium-Wellenleiter selbst ist als ein im Querschnitt rechteckiger Siliziumbereich (Brechungsindex 3,6) ausgebildet, der von einer Siliziumoxidhülle (Brechungsindex 1,5) umgeben ist. Durch diesen Unterschied in den Brechungsindizes von kristallinem Silizium und Siliziumoxid ist es möglich, einen Lichtwellenleiter zu bilden und Strahlungsverluste durch Querausbreitung zu vermeiden.

Reis. 7. PIN-Struktur eines Dauerstrich-Siliziumlasers

Mit einer solchen Wellenstruktur und einem Pumplaser mit einer Leistung von Bruchteilen eines Watts ist es möglich, im Wellenleiter Strahlung mit einer Dichte von etwa 25 MW/cm 2 zu erzeugen, was noch höher ist als die erreichbare Strahlungsdichte mit Hochleistungs-Halbleiterlasern. Die Raman-Verstärkung bei einer solchen Strahlungsdichte ist nicht zu hoch (in der Größenordnung von mehreren Dezibel pro Zentimeter), aber diese Dichte ist völlig ausreichend für die Implementierung eines Lasers.

Um den negativen Effekt der Absorption von Strahlung auf freie Elektronen, die im Wellenleiter als Ergebnis der Zwei-Photonen-Absorption gebildet werden, zu eliminieren, wird ein Silizium-Wellenleiter zwischen zwei Gates angeordnet. Wenn zwischen diesen Gates eine Potentialdifferenz entsteht, werden unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes freie Elektronen und Löcher aus dem Silizium-Wellenleiter „herausgezogen“, wodurch die negativen Folgen der Zwei-Photonen-Absorption beseitigt werden.

Um einen Laser basierend auf dieser PIN-Struktur zu bilden, müssen zwei Spiegel an den Enden des Wellenleiters angebracht werden, von denen einer semitransparent sein muss (Abb. 8).

Reis. 8. Schema eines kontinuierlichen Siliziumlasers

Hybrid-Siliziumlaser

Ein auf dem Raman-Effekt basierender Dauerstrich-Siliziumlaser setzt grundsätzlich das Vorhandensein einer externen Strahlungsquelle voraus, die als Pumpstrahlung verwendet wird. In diesem Sinne löst dieser Laser eines der Hauptprobleme der Siliziumphotonik nicht – die Fähigkeit, alle strukturellen Blöcke (Strahlungsquellen, Filter, Modulatoren, Demodulatoren, Wellenleiter usw.) in einem einzigen Siliziumchip zu integrieren.

Darüber hinaus erfordert die Verwendung externer optischer Strahlungsquellen (außerhalb des Chips oder sogar auf seiner Oberfläche) eine sehr hohe Genauigkeit der Laserausrichtung relativ zum Siliziumwellenleiter, da eine Fehlausrichtung von mehreren Mikrometern zum Ausfall der gesamten Vorrichtung führen kann (Abb. 9). Das Erfordernis einer präzisen Justierung erlaubt es nicht, diese Geräteklasse auf den Massenmarkt zu bringen und macht sie ziemlich teuer. Daher ist die Ausrichtung eines Siliziumlasers in Bezug auf einen Siliziumwellenleiter eines der wichtigsten Probleme in der Siliziumphotonik.

Reis. 9. Bei Verwendung externer Laser ist eine präzise Laserausrichtung erforderlich
und Wellenleiter

Dieses Problem kann gelöst werden, wenn der Laser und der Wellenleiter innerhalb desselben technologischen Prozesses im selben Kristall hergestellt werden. Aus diesem Grund kann die Schaffung eines Hybrid-Siliziumlasers als eine neue Stufe der Siliziumphotonik betrachtet werden.

Das Funktionsprinzip eines solchen Hybridlasers ist recht einfach und basiert auf den emittierenden Eigenschaften von Indiumphosphid (InP) und der Fähigkeit von Silizium, Licht zu leiten.

Der Aufbau des Hybridlasers ist in Abb. 1 dargestellt. 10. Indiumphosphid, das als aktive Substanz eines Halbleiterlasers fungiert, befindet sich direkt über dem Siliziumwellenleiter und ist von ihm durch die dünnste Schicht aus Dielektrikum getrennt (seine Dicke beträgt nur 25 Atomlagen) - Siliziumoxid, das " transparent" für die erzeugte Strahlung. Wenn zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt wird, findet ein Elektronenfluss in Richtung von den negativen Elektroden zu den positiven statt. Dadurch fließt ein elektrischer Strom durch die Kristallstruktur von Indiumphosphid. Wenn ein elektrischer Strom durch Indiumphosphid fließt, entstehen infolge des Rekombinationsprozesses von Löchern und Elektronen Photonen, dh Strahlung. Diese Strahlung tritt direkt in den Siliziumwellenleiter ein.

Reis. 10. Aufbau eines Hybrid-Siliziumlasers

Der beschriebene Aufbau des Siliziumlasers erfordert keine zusätzliche Justage des Lasers relativ zum Siliziumwellenleiter, da deren gegenseitige Anordnung zueinander direkt bei der Bildung des monolithischen Aufbaus des Hybridlasers realisiert und kontrolliert wird.

Der Herstellungsprozess eines solchen Hybridlasers gliedert sich in mehrere Hauptschritte. Zunächst wird in einem „Sandwich“, bestehend aus einer Siliziumschicht, einer Isolatorschicht (Siliziumoxid) und einer weiteren Siliziumschicht, durch Ätzen eine Wellenleiterstruktur gebildet (Abb. 11), von der sich dieser technologische Produktionsschritt nicht unterscheidet jene Prozesse, die während der Herstellung von Mikrochips verwendet werden.

Reis. 11. Bildung einer Wellenleiterstruktur in Silizium

Als nächstes ist es notwendig, auf der Oberfläche des Wellenleiters eine Kristallstruktur aus Indiumphosphid zu bilden. Anstatt den technologisch komplexen Prozess des Aufwachsens einer Indiumphosphid-Kristallstruktur auf einer bereits gebildeten Wellenleiterstruktur zu verwenden, wird ein Indiumphosphid-Substrat zusammen mit einer Halbleiterschicht verwendet n-Typ wird separat gebildet, was viel einfacher und billiger ist. Die Herausforderung besteht darin, das Indiumphosphid mit der Wellenleiterstruktur zu verbinden.

Dazu werden sowohl die Struktur von Silizium-Wellenleitern als auch das Indiumphosphid-Substrat dem Oxidationsprozess in einem Niedertemperatur-Sauerstoffplasma unterzogen. Als Ergebnis dieser Oxidation bildet sich auf der Oberfläche beider Materialien ein Oxidfilm mit einer Dicke von nur 25 Atomlagen (Abb. 12).

Reis. 12. Indiumphosphid-Substrat
mit gebildeter Oxidschicht

Wenn zwei Materialien erhitzt und gegeneinander gepresst werden, wirkt die Oxidschicht wie ein transparenter Klebstoff und sorgt für ihre Verschmelzung zu einem Einkristall (Abb. 13).

Reis. 13. "Kleben" der Struktur von Silizium-Wellenleitern
mit Indiumphosphidträger

Gerade weil der Siliziumlaser der beschriebenen Bauart aus zwei miteinander verklebten Materialien besteht, spricht man von einem Hybridlaser. Nach dem Bondprozess wird das überschüssige Indiumphosphid durch Ätzen entfernt und Metallkontakte werden gebildet.

Der technologische Prozess zur Herstellung von Hybrid-Siliziumlasern ermöglicht es, Dutzende und sogar Hunderte von Lasern auf einem einzigen Chip zu platzieren (Abb. 14).

Reis. 14. Schema eines Chips, der vier enthält
Hybrid-Siliziumlaser

Der erste Chip, den Intel zusammen mit der University of California demonstrierte, enthielt sieben Hybrid-Siliziumlaser (Abb. 15).

Reis. 15. Strahlung von sieben Hybrid-Siliziumlasern,
auf einem einzigen Chip hergestellt

Diese Hybridlaser arbeiten bei einer Wellenlänge von 1577 nm bei einem Schwellenstrom von 65 mA mit einer Ausgangsleistung von bis zu 1,8 mW.

Derzeit ist der Hybrid-Siliziumlaser bei Temperaturen unter 40 °C betriebsfähig, für die Zukunft ist jedoch geplant, die Betriebstemperatur auf 70 °C zu erhöhen und den Schwellenstrom auf 20 mA zu senken.

Die Zukunft der Siliziumphotonik

Die Schaffung eines hybriden Siliziumlasers könnte weitreichende Auswirkungen auf die Siliziumphotonik haben und als Ausgangspunkt für die Ära des Hochleistungsrechnens dienen.

In naher Zukunft werden Dutzende von Siliziumlasern, Modulatoren und ein Multiplexer in den Chip integriert, die es ermöglichen, optische Kommunikationskanäle mit einer Bandbreite von Terabit zu schaffen (Abb. 16).

Reis. 16. Chip des optischen Kommunikationskanals,
mit Dutzenden von Siliziumlasern,
Filter, Modulatoren und Multiplexer

„Dank dieser Entwicklung werden wir in der Lage sein, kostengünstige optische Datenbusse mit Terabit-Bandbreite für die Computer der Zukunft zu schaffen. Auf diese Weise können wir eine neue Ära des Hochleistungsrechnens näher bringen“, sagte Mario Paniccia, Direktor des Photonics Technology Lab bei der Intel Corporation. „Trotz der Tatsache, dass die kommerzielle Nutzung dieser Technologie noch sehr weit entfernt ist, sind wir zuversichtlich, dass Dutzende oder sogar Hunderte von Hybrid-Siliziumlasern sowie andere auf Siliziumphotonik basierende Komponenten auf einem einzigen Siliziumchip platziert werden können.“

Silizium-Photonik: Wird Licht Strom ersetzen?

Vollhalbleiter-CW-Laser löst das bisher unüberwindbare Problem der Zwei-Photonen-Absorption

Die Mikroelektronik ist bei der Übertragung elektrischer Signale zwischen Mikroschaltkreisen bereits mit physikalischen Einschränkungen (auf atomarer Ebene) konfrontiert. Eine mögliche Lösung für dieses Problem könnte die Entwicklung nicht traditioneller Technologien sein, insbesondere der Silizium-Photonik.

Intel hat bereits viele der Strukturen geschaffen, die erforderlich sind, um die Signalübertragung zwischen Chips mithilfe von Licht so einfach zu machen, wie es Elektronen heute tun. Das Hauptproblem dabei war das Fehlen einer geeigneten Lichtquelle. Kürzlich kündigte Intel einen neuen Durchbruch auf diesem Gebiet an, den ersten Vollhalbleiter-Dauerstrichlaser, der ein physikalisches Phänomen namens Raman-Effekt nutzt (in der Quantenmechanik wird der Raman-Effekt als Energieaustausch zwischen streuenden Molekülen und einfallendem Licht beschrieben). und unter Verwendung handelsüblicher CMOS-Kristalle aufgebaut.

Mithilfe der Leistung von Halbleitern konnten Intel-Forscher die Funktionalität eines traditionellen, sperrigen Raman-Lasers realisieren, der Glas verwendet und typischerweise die Größe eines Koffers hat, indem er ihn auf die Dicke einer einzelnen Spur auf einem Siliziumwafer schrumpfte.

Dieser Durchbruch in der Silizium-Photonik wird zu praktischen und erschwinglichen Lösungen für Kommunikation und Computer führen, zur Entwicklung neuer medizinischer Geräte und Sensoren, und der abstimmbare Halbleiterlaser kann seine Vorgänger ersetzen, die Hunderte und Tausende von Dollar gekostet haben. Diese Errungenschaft kann auch zur Beschleunigung der Schaffung neuer optischer Verbindungen zwischen Mikroschaltkreisen und externen Geräten führen. dünne Glasfasern nehmen weniger Platz ein als elektrische Kabel und sorgen für bessere Kühlbedingungen für Computer und Server.

Der Halbleiterlaser-Demowafer wurde mit Standard-CMOS-Technologie auf einer bestehenden Produktionslinie hergestellt. Dies bedeutet, dass für diese neuen Technologien der Weg vom Labor zur Produktion möglicherweise nicht lang und kompliziert ist, wie dies bei einigen nicht traditionellen Technologien der Fall ist, sondern eher direkt und schnell.

Das vergangene Jahr 2007 war ein sehr erfolgreiches Jahr für die Entwicklung vieler Intel-Technologien, auch im Bereich der Silizium-Photonik. Die neuesten bahnbrechenden Errungenschaften von Intel auf diesem Gebiet wurden vom MIT Technology Review Magazin mit einem dreifachen Sieg bei den Rennen verglichen – so bewerteten die Rezensenten der führenden Publikation eine Reihe offizieller Ankündigungen des Konzerns. Wie Justin Rattner, Chief Technology Officer und Leiter der Corporate Technology Group von Intel, sagte: „Wir haben empirisch gezeigt, dass Fertigungstechnologien, die mit der Silizium-CMOS-Entwicklungstechnologie kompatibel sind, die Entwicklung von optischen Halbleitergeräten ermöglichen.

Der Beweis dieser Tatsache war eine große Leistung, aber für die Weiterentwicklung dieser technologischen Richtung sind nicht weniger bedeutende Schritte erforderlich. Jetzt müssen wir lernen, wie man Silizium-Photonik-Geräte in Standard-Computerkomponenten integriert; das können wir noch nicht. Aber gleichzeitig arbeiten wir weiterhin aktiv mit unseren Produktentwicklungsteams zusammen, um Herstellern Modelle für den Einsatz von Halbleiter-Photonik in Intel-Lösungen anzubieten."

Silizium-Photonik als Mittel zur Beseitigung von Engpässen auf dem Weg ins Tera-Computing-Zeitalter

Silizium-Photonik ist ein wesentlicher Bestandteil der langfristigen Entwicklungsstrategie der Corporate Technology Group, die darauf abzielt, den Übergang zum Tera-Computing zu beschleunigen. Tatsache ist, dass die Entwicklung von Mehrkernprozessoren mit enormer Rechenleistung die Ingenieure vor neue Probleme stellt. Beispielsweise wird die erforderliche Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen dem Speicher und dem Prozessor bald die physikalischen Grenzen überschreiten, die durch Kupferleiter auferlegt werden, und die Übertragungsrate elektrischer Signale wird geringer als die Geschwindigkeit des Prozessors. Schon heute wird die Leistungsfähigkeit leistungsfähiger Rechensysteme oft durch die Geschwindigkeit des Datenaustauschs zwischen Prozessor und Speicher begrenzt. Heutige Datenübertragungstechnologien sind für eine viel geringere Bandbreite ausgelegt als die Photonik, und mit zunehmender Entfernung, über die Daten übertragen werden, wird die Übertragungsrate sogar noch geringer.

Tests eines Prototyps eines optischen Speichermoduls zeigten, dass nicht Strom, sondern Licht verwendet werden kann, um auf den Speicher des Servers zuzugreifen

„Es ist notwendig, die Geschwindigkeit der Datenübertragung zwischen den Komponenten der Rechenplattform mit der Geschwindigkeit der Prozessoren in Einklang zu bringen. Das ist in der Tat eine sehr wichtige Aufgabe. Wir sehen in der Silizium-Photonik eine Lösung für dieses Problem und verfolgen sie daher weiter ein Forschungsprogramm, das es uns ermöglicht, in diesem Bereich an der Spitze zu stehen", sagte Kevin Kahn, Distinguished Research Engineer bei Intel Corporation.

Ein Team unter der Leitung von Intel Lead Optics Researcher Drew Alduino baut ein optisches Prozessor-zu-Speicher-Kommunikationssystem für Intel-Plattformen. Auf Basis eines vollständig gepufferten FB-DIMM-Speichers, der Microsoft Windows bootet und ausführt, wurde bereits eine Testplattform geschaffen. Der funktionierende Prototyp beweist die Möglichkeit, Speicher über optische Kommunikationsleitungen mit dem Prozessor zu verbinden, ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen.

Das Erstellen einer kommerziellen Version einer solchen Lösung hat enorme Vorteile für die Benutzer. Optische Kommunikationssysteme beseitigen den Engpass, der mit dem Unterschied in der Speicherbandbreite und der Prozessorgeschwindigkeit verbunden ist, und verbessern die Gesamtleistung der Computerplattform.

Von der Recherche bis zur Umsetzung

Das Photonics Technology Lab, das von dem Distinguished Intel Research Engineer Mario Paniccia geleitet wird, hat bewiesen, dass alle Komponenten für die optische Kommunikation – Laser, Modulator und Demodulator – mit bestehenden Fertigungstechniken aus Halbleitern hergestellt werden können. Das PTL hat bereits wichtige Silizium-Photonik-Komponenten demonstriert, die mit Rekordleistung arbeiten, einschließlich Modulatoren und Demodulatoren, die Datenraten von bis zu 40 Gbps ermöglichen.

Die Halbleiter-Photonik-Technologie erfordert sechs Hauptkomponenten:

• ein Laser, der Photonen emittiert;
• einen Modulator zum Umwandeln des Photonenstroms in einen Informationsstrom zur Übertragung zwischen Elementen der Rechenplattform;
• Wellenleiter, die als "Übertragungsleitungen" fungieren, um Photonen an ihre Ziele zu liefern, und Multiplexer, um Lichtsignale zu kombinieren oder zu trennen;
• Fall, insbesondere notwendig für die Schaffung von Montagetechnologien und kostengünstigen Lösungen, die in der Massenproduktion von PCs verwendet werden können;
• einen Demodulator zum Empfangen von informationstragenden Photonenströmen und deren Umkehrung – Umwandeln in einen Elektronenstrom, der für die Verarbeitung durch einen Computer verfügbar ist;
• elektronische Schaltungen zur Steuerung dieser Komponenten.

Die Implementierung all dieser Komponenten der optischen Kommunikation auf Basis von Halbleitertechnologien wird weithin als das wichtigste Forschungsproblem anerkannt, dessen Lösung zu einem großen technischen Durchbruch führen wird. PTL hat bereits eine Reihe von Weltrekorden aufgestellt, indem es Hochleistungsgeräte, Modulatoren, Verstärker und Demodulatoren entwickelt hat, die Datenraten von bis zu 40 Gbit/s liefern. In den nächsten fünf Jahren wird Intel nach Möglichkeiten suchen, diese Komponenten in tatsächliche Produkte zu integrieren.

Auf dem Gebiet der Halbleiter-Photonik hat Intel bereits die Ziellinie erreicht. Die Forschung auf dem Gebiet der Integration optischer Elemente hat sich bereits von der Stufe der wissenschaftlichen oder technologischen Entwicklung zur Stufe der Herstellung kommerzieller Produkte bewegt. Das Forschungsteam ist nun dabei, die Fähigkeiten und Spezifikationen für die Entwicklung innovativer Produkte auf der Grundlage dieser revolutionären Technologie zu identifizieren. Letztendlich erstellen Intel-Ingenieure Prototypen und arbeiten eng mit Produktentwicklungsteams zusammen, um die Einführung neuer Technologien zu beschleunigen.

Zusätzlich zu ihren eigenen Aktivitäten finanziert die Intel Corporation einige der vielversprechendsten Forschungsarbeiten in dieser Richtung außerhalb von CTG – insbesondere arbeitet sie mit der University of California in Santa Barbara zusammen, die einen Hybrid-Halbleiterlaser entwickelt. Auch talentierte Absolventen verschiedener Universitäten aus anderen Ländern werden im PTL-Labor ausgebildet.

Laut Intel Lead Optics Researcher Richard Jones „stehen in unserem Hybrid-Halbleiterlaser-Projekt derzeit zwei kritische Herausforderungen vor uns.“ Zweitens müssen wir einen Hybridlaser, einen Hochgeschwindigkeits-Halbleitermodulator und einen Multiplexer kombinieren, um dies zu beweisen dass wir einen einzigen optischen Sender basierend auf einer CMOS-kompatiblen Fertigungstechnologie erstellen können."

Die Einführung von Silizium-Photonik-Technologien wird die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren für die Herstellung von Lasern in großem Maßstab umfassen. Der Erfolg der Intel Corporation auf dem Gebiet der Photonik wird es ihr ermöglichen, potenzielle Wettbewerber deutlich zu übertreffen. PTL hat bereits rund 150 Patente angemeldet. Die renommiertesten Publikationen wie Nature haben die beispiellosen Errungenschaften der Intel-Spezialisten zur Kenntnis genommen. Darüber hinaus wurde Intel 2007 mit dem EE Times ACE Award für die vielversprechendste neue Technologie ausgezeichnet.

Auf der Suche nach Photonen

Im Gegensatz zu den etablierten und jahrzehntealten Verfahren zur Herstellung von Transistoren ist die Technologie zur Herstellung von Elementen für die Halbleiterphotonik völlig neu. Einer Umsetzung stehen einige Probleme im Wege: Optimierung von Geräten, Erhöhung der Zuverlässigkeit des Designs, Testmethodik, Sicherstellung der Energieeffizienz und Entwicklung von Subminiaturgeräten.

Damit neue Komponenten in die Praxis umgesetzt werden können, muss PTL sicherstellen, dass optische Komponenten die extrem hohen Zuverlässigkeitskriterien der Computerindustrie erfüllen. In der optischen Industrie wurden über Jahrzehnte strenge Zuverlässigkeitsstandards entwickelt. Danach sind monatelange Tests erforderlich, bevor die Serienproduktion neuer Produkte beginnt. Wenn während dieser langwierigen Tests Probleme festgestellt werden, kann deren Behebung und erneutes Testen die Markteinführungszeit eines Produkts erheblich verzögern.

Eines der wichtigsten Probleme ist die Optimierung, denn das PTL-Labor entwickelt optische Geräte für das Massenrechnen. Obwohl es keine anderen ähnlichen Produkte, Standards oder andere Benchmarks gibt, ist es Sache der Ingenieure, einen neuen Prozess zu entwickeln, um Lösungen zu finden, die die Anforderungen von Computeranwendungen am besten erfüllen.

Derzeit stellt das PTL-Forschungsteam, das nach den Maßstäben der Photoelektronik relativ klein ist, schrittweise auf die Kommerzialisierung von Halbleiter-Photonik-Lösungen um und erwartet, dass die Massenimplementierung dieser unglaublichen Technologie bereits 2010 beginnen kann.

Ein Team von Optikspezialisten der Digital Enterprise Group (DEG) unter der Leitung von Victor Krutul entwickelt Anwendungen, die die Grundlage für die aufkommende Technologie bilden werden. "Wir glauben, dass die Produkte von Intel durch die Entwicklung der optischen Kommunikation weiterhin dem Moore'schen Gesetz entsprechen werden", sagt Krutal.

Wenn nicht Elektronen, sondern Photonen verwendet werden, um Informationen zwischen den Komponenten einer Computerplattform und zwischen verschiedenen Systemen zu übertragen, wird eine weitere Computerrevolution stattfinden. Führende Elektronikhersteller auf der ganzen Welt beteiligen sich bereits an diesem Wettlauf um einen Wettbewerbsvorteil. Die Bedeutung der neuen Technologie lässt sich mit der Erfindung integrierter Schaltkreise vergleichen. Intel ist führend in dieser Forschung und in der Entwicklung von Halbleiter-Photonik-Komponenten.

65 Nanometer ist das nächste Ziel der Zelenograd Angstrem-T-Anlage, die 300 bis 350 Millionen Euro kosten wird. Das Unternehmen habe bereits einen Antrag auf ein zinsgünstiges Darlehen für die Modernisierung der Produktionstechnologien bei der Vnesheconombank (VEB) eingereicht, berichtete Vedomosti diese Woche unter Berufung auf Leonid Reiman, den Vorsitzenden des Verwaltungsrats des Werks. Jetzt bereitet Angstrem-T den Start einer Linie zur Herstellung von Chips mit 90-nm-Topologie vor. Die Auszahlung des bisherigen VEB-Darlehens, für das es angeschafft wurde, beginnt Mitte 2017.

Peking ließ die Wall Street zusammenbrechen

Wichtige US-Indizes markierten die ersten Tage des neuen Jahres mit einem Rekordeinbruch, Milliardär George Soros hat bereits davor gewarnt, dass die Welt auf eine Wiederholung der Krise von 2008 wartet.

Der erste russische Consumer-Prozessor Baikal-T1 zum Preis von 60 US-Dollar geht in die Massenproduktion

Das Unternehmen Baikal Electronics verspricht Anfang 2016, den russischen Baikal-T1-Prozessor im Wert von rund 60 US-Dollar in die industrielle Produktion zu bringen. Gefragt werden Geräte, wenn diese Nachfrage staatlich geschaffen wird, sagen Marktteilnehmer.

MTS und Ericsson werden gemeinsam 5G in Russland entwickeln und implementieren

PJSC „Mobile TeleSystems“ und Ericsson unterzeichneten Vereinbarungen über die Zusammenarbeit bei der Entwicklung und Implementierung der 5G-Technologie in Russland. In Pilotprojekten, unter anderem während der WM 2018, will MTS die Entwicklungen des schwedischen Anbieters testen. Anfang nächsten Jahres wird der Betreiber einen Dialog mit dem Ministerium für Telekommunikation und Massenkommunikation über die Bildung technischer Anforderungen für die fünfte Mobilfunkgeneration aufnehmen.

Sergey Chemezov: Rostec ist bereits einer der zehn größten Maschinenbaukonzerne der Welt

In einem Interview mit RBC beantwortete der Chef von Rostec, Sergey Chemezov, brennende Fragen: über das Platon-System, die Probleme und Perspektiven von AVTOVAZ, die Interessen der State Corporation im Pharmageschäft, sprach über internationale Zusammenarbeit unter Sanktionsdruck, Import Substitution, Reorganisation, Entwicklungsstrategien und neue Chancen in schwierigen Zeiten.

Rostec ist „geschützt“ und greift auf die Lorbeeren von Samsung und General Electric zurück

Der Aufsichtsrat von Rostec hat der „Entwicklungsstrategie bis 2025“ zugestimmt. Die Hauptaufgaben bestehen darin, den Anteil ziviler Hightech-Produkte zu erhöhen und bei wichtigen Finanzkennzahlen zu General Electric und Samsung aufzuschließen.