Fotonika e silikonit si një alternativë ndaj ndërlidhjeve të bakrit. SNIPER: e ardhmja e ndritur e nanofotonikës së silikonit Gjendja aktuale dhe perspektivat e zhvillimit të fotonikave të silikonit

Më 18 shtator të këtij viti, Intel, së bashku me Universitetin e Kalifornisë, Santa Barbara, demonstruan lazerin e parë hibrid të silikonit me pompë elektrike në botë, i cili kombinon aftësitë e emetimit dhe përhapjes së dritës përgjatë një përcjellësi valësh silikoni, dhe gjithashtu përfiton nga niveli i ulët. kostoja e prodhimit të silikonit. Krijimi i një lazeri hibrid silikoni është hapi tjetër drejt marrjes së çipave të silikonit që përmbajnë dhjetëra dhe madje qindra lazer të lirë, të cilët në të ardhmen do të përbëjnë bazën e elektronikës kompjuterike.

Historia e fotonikës së silikonit

Një nga fushat kryesore të përpjekjeve të kërkimit dhe zhvillimit të Intel është fotonika e silikonit. Zbulimi tjetër i kompanisë në këtë fushë ishte krijimi i lazerit të parë hibrid të silikonit me pompë elektrike në botë.

Rruga tani është në mënyrë efektive e hapur për të krijuar amplifikatorë optikë, lazer dhe konvertues të gjatësisë së valës së dritës duke përdorur teknologjinë e mirëfilltë të prodhimit të çipave të silikonit. Gradualisht, "silikonizimi" i fotonikës po bëhet realitet dhe në të ardhmen do të bëjë të mundur krijimin e qarqeve optike me kosto të ulët dhe me performancë të lartë që lejojnë shkëmbimin e të dhënave brenda dhe jashtë PC.

Sistemet e komunikimit optik kanë disa avantazhe mbi sistemet tradicionale kabllore, ku kryesorja është gjerësia e tyre e madhe e brezit. Për shembull, fibrat optike të përdorura në sistemet e komunikimit sot mund të transmetojnë në të njëjtën kohë deri në 128 rrjedha të ndryshme të të dhënave. Kufiri teorik për shpejtësinë e transmetimit të të dhënave mbi fibër optike vlerësohet në 100 trilion bit për sekondë. Për të imagjinuar këtë shifër të madhe, le të bëjmë një krahasim të thjeshtë: kjo gjerësi bande është mjaft e mjaftueshme për të siguruar transmetimin e bisedave telefonike në të njëjtën kohë për të gjithë banorët e planetit. Prandaj është e kuptueshme që sistemet e komunikimit optik po tërheqin vëmendjen e të gjithë laboratorëve kërkimorë.

Për të transmetuar informacion duke përdorur rrezatimin e dritës, është e nevojshme të keni disa komponentë të detyrueshëm: burimet e rrezatimit (lazerët), modulatorët e valëve të dritës, përmes të cilëve informacioni futet në valën e dritës, detektorë dhe fibër optike për transmetimin e të dhënave.

Duke përdorur lazer të shumtë që emetojnë gjatësi vale dhe modulatorë të ndryshëm, rryma të shumta të dhënash mund të transmetohen njëkohësisht përmes një fijeje të vetme optike. Në anën marrëse, për të përpunuar informacionin, përdoret një demultipleksues optik, i cili ndan transportuesit me gjatësi vale të ndryshme nga sinjali në hyrje dhe detektorë optikë, të cilët bëjnë të mundur shndërrimin e sinjaleve optike në elektrike. Blloku i sistemit të komunikimit optik është paraqitur në Fig. 1.

Oriz. 1. Blloku i një sistemi komunikimi optik

Kërkimet në fushën e sistemeve të komunikimit optik dhe qarqeve optike filluan në vitet 1970 - atëherë qarqet optike u imagjinuan si një lloj procesori optik ose çipi superoptik, në të cilin një pajisje transmetuese, një modulator, një përforcues, një detektor dhe të gjitha komponentët elektronikë të nevojshëm. Megjithatë, zbatimi praktik i kësaj ideje u pengua nga fakti se përbërësit e qarqeve optike ishin bërë nga materiale të ndryshme, kështu që ishte e pamundur të integroheshin të gjithë komponentët e nevojshëm në një platformë (çip) të vetëm të bazuar në silikon. Megjithë triumfin e silikonit në fushën e elektronikës, përdorimi i tij në optikë dukej shumë i dyshimtë.

Mundësia e përdorimit të silikonit për qarqet optike është studiuar për shumë vite - që nga gjysma e dytë e viteve 1980. Megjithatë, pak përparim u arrit gjatë kësaj kohe. Krahasuar me materialet e tjera, përpjekjet për të përdorur silikon për të ndërtuar qarqe optike nuk kanë sjellë rezultatet e pritura.

Fakti është se, për shkak të veçorive të strukturës së hendekut të brezit të rrjetës së kristalit të silikonit, rikombinimi i ngarkesave në të çon kryesisht në çlirimin e nxehtësisë dhe jo në emetimin e fotoneve, gjë që nuk e lejon atë të përdoret për të krijojnë lazer gjysmëpërçues që janë burime të rrezatimit koherent. Në të njëjtën kohë, në gjysmëpërçuesit si arsenidi i galiumit ose fosfidi i indiumit, energjia e rikombinimit lëshohet kryesisht në formën e fotoneve infra të kuqe, prandaj, këto materiale mund të shërbejnë si burime fotonike dhe të përdoren për të krijuar lazer.

Një arsye tjetër që pengon përdorimin e silikonit si material për krijimin e qarqeve optike është se silikoni nuk ka efektin linear elektro-optik Pockels, mbi bazën e të cilit ndërtohen modulatorët tradicionalë optikë të shpejtë. Efekti Pockels përfshin një ndryshim në indeksin e thyerjes së dritës në një kristal nën ndikimin e një fushe elektrike të aplikuar. Është për shkak të këtij efekti që drita mund të modulohet, pasi një ndryshim në indeksin e thyerjes së një substance çon përkatësisht në një ndryshim në fazën e rrezatimit të transmetuar.

Efekti Pockels manifestohet vetëm në piezoelektrikë dhe, për shkak të inertitetit të tij të ulët, teorikisht lejon modulimin e dritës deri në një frekuencë prej 10 THz. Përveç kësaj, për shkak të marrëdhënies lineare midis indeksit të thyerjes dhe forcës së fushës elektrike, shtrembërimet jolineare gjatë modulimit të dritës janë relativisht të vogla.

Moduluesit e tjerë optikë bazohen në efekte të tilla si elektro-absorbimi ose elektro-refraktimi i dritës nën ndikimin e një fushe elektrike të aplikuar, por këto efekte shprehen dobët në silikon.

Modulimi i dritës në silikon mund të arrihet bazuar në efektin termik. Kjo do të thotë, kur temperatura e silikonit ndryshon, indeksi i thyerjes dhe koeficienti i thithjes së dritës ndryshojnë. Sidoqoftë, për shkak të pranisë së histerezës, modulatorët e tillë janë mjaft inertë dhe nuk lejojnë marrjen e një norme modulimi më të lartë se disa kilohertz.

Një metodë tjetër e modulimit të rrezatimit bazuar në modulatorët e silikonit bazohet në efektin e thithjes së dritës në transportuesit e lirë (vrima ose elektrone). Kjo metodë modulimi gjithashtu nuk lejon marrjen e shpejtësive të larta, pasi shoqërohet me lëvizjen fizike të ngarkesave brenda modulatorit të silikonit, i cili në vetvete është një proces inert. Në të njëjtën kohë, vlen të përmendet se modulatorët e silikonit bazuar në efektin e përshkruar teorikisht mund të mbështesin shpejtësi modulimi deri në 1 GHz, por në praktikë, modulatorët deri më tani janë zbatuar vetëm me shpejtësi deri në 20 MHz.

Pavarësisht nga të gjitha vështirësitë në përdorimin e silikonit si material për qarqet optike, kohët e fundit është bërë përparim i dukshëm në këtë drejtim. Siç doli, dopingu i silikonit me erbium (Er) ndryshon strukturën e hendekut të brezit në atë mënyrë që rikombinimi i ngarkesës shoqërohet me emetimin e fotoneve, domethënë bëhet i mundur përdorimi i silikonit për të prodhuar lazer gjysmëpërçues. Lazeri i parë komercial i bazuar në silikon të dopuar u krijua nga ST Micro-electronics. Përdorimi i lazerëve gjysmëpërçues të sintonizueshëm, i demonstruar nga Intel në vitin 2002, është gjithashtu premtues. Lazerë të tillë përdorin një interferometër Fabry-Perot si rezonator dhe lëshojnë në disa frekuenca (modaliteti me shumë mënyra). Për të izoluar rrezatimin monokromatik, përdoren filtra të jashtëm të veçantë të bazuar në grila difraksioni (filtra dispersioni) - Fig. 2.

Oriz. 2. Lazer të sintonizueshëm me filtra
bazuar në grilat e dispersionit

Sistemi lazer që rezulton me një rezonator të jashtëm shpërndarës bën të mundur akordimin e gjatësisë së valës së rrezatimit. Tradicionalisht, akordimi i saktë i filtrave në lidhje me rezonatorin përdoret për të marrë gjatësinë e valës së kërkuar.

Intel ishte në gjendje të krijonte një lazer të sintonizueshëm pa pjesë të lëvizshme fare. Ai përbëhet nga një lazer shumëmodësh me kosto të ulët me një grilë të ngulitur brenda një përcjellësi valësh. Duke ndryshuar temperaturën e grilës, mund të sintonizoheni në një gjatësi vale specifike, domethënë, të kaloni midis mënyrave individuale të lazerit.

Modulatorë optikë silikoni

Në shkurt 2004, Intel bëri një zbulim tjetër në fushën e fotonikës së silikonit, duke demonstruar modulatorin e parë të fazës optike të silikonit në 1 GHz.

Ky modulator bazohet në efektin e shpërndarjes së dritës në transportuesit e lirë të ngarkesës dhe në strukturën e tij është në shumë mënyra i ngjashëm me një transistor CMOS të bazuar në teknologjinë SOI (silicon në izolues). Struktura e modulatorit të fazës optike është paraqitur në Fig. 3.

Oriz. 3. Blloku i një modulatori optik të fazës së silikonit

Një shtresë e silikonit kristalor ndodhet në një substrat kristalor silikoni me një shtresë izoluese (dioksid silikoni) n-lloj. Kjo pasohet nga një shtresë e dioksidit të silikonit, në qendër të së cilës është një shtresë silikoni polikristalor. fq-lloj që kryen funksionin e valëdhënësit. Kjo shtresë është e ndarë nga silikoni kristalor n-tipi me shtresën më të hollë të izolatorit (dielektrik i portës), trashësia e të cilit është vetëm 120 angstromë. Për të minimizuar shpërndarjen e dritës për shkak të kontaktit të metalit, kontaktet metalike ndahen nga shtresa e oksidit të silikonit nga një shtresë e hollë silikoni polikristaline në të dyja anët e valëzuesit.

Kur një tension pozitiv aplikohet në elektrodën e kontrollit, një ngarkesë induktohet në të dy anët e dielektrikës së portës dhe në anën e valëve (silikon polikristalor fq-lloj) këto janë vrima, dhe në anën e silikonit n-lloji - elektrone të lira.

Në prani të ngarkesave të lira në silikon, indeksi i thyerjes së silikonit ndryshon. Ndryshimi në indeksin e thyerjes shkakton, nga ana tjetër, një zhvendosje fazore të valës së dritës që kalon.

Modulatori i diskutuar më sipër lejon modulimin fazor të sinjalit të referencës. Për ta kthyer modulimin e fazës në amplitudë (një sinjal i moduluar nga faza është i vështirë për t'u zbuluar në mungesë të një sinjali referencë), modulatori optik përdor gjithashtu një interferometër Mach-Zehnder (MZI), i cili ka dy krahë, në secilën prej të cilëve është integruar një modulator optik fazor (Fig. 4).

Oriz. 4. Blloku i modulatorit optik

Përdorimi i modulatorëve optikë fazor në të dy krahët e interferometrit bën të mundur sigurimin e barazisë së gjatësive optike të krahëve të interferometrit.

Vala e dritës referuese që përhapet përgjatë fibrës optike ndahet nga një ndarës Y në dy valë koherente, secila prej të cilave përhapet përgjatë njërit prej krahëve të interferometrit. Nëse në pikën e lidhjes së krahëve të interferometrit të dyja valët janë në fazë, atëherë si rezultat i shtimit të këtyre valëve do të fitohet e njëjta valë (në këtë rast neglizhojmë humbjet) si para interferometrit (ndërhyrje konstruktive) . Nëse valët mblidhen në antifazë (ndërhyrje shkatërruese), atëherë sinjali që rezulton do të ketë amplitudë zero.

Kjo qasje lejon modulimin e amplitudës së sinjalit bartës - duke aplikuar tension në një nga modulatorët e fazës, faza e valës në një nga krahët e interferometrit ndryshohet në n ose nuk ndryshojnë fare, duke siguruar kështu kushtet për ndërhyrje destruktive ose konstruktive. Kështu, duke aplikuar tension në modulatorin e fazës me një frekuencë f, është e mundur të moduloni sinjalin me amplitudë me të njëjtën frekuencë f.

Siç u përmend, modulatori optik i silikonit i Intel, i demonstruar në shkurt 2004, ishte i aftë të modulonte dritën në 1 GHz. Më pas, në prill 2005, Intel demonstroi një modulator që funksiononte në një frekuencë prej 10 GHz.

Lazer silikoni me valë të vazhdueshme bazuar në efektin Raman

Në shkurt 2005, Intel njoftoi një tjetër përparim teknologjik - krijimin e një lazeri silikoni me valë të vazhdueshme bazuar në efektin Raman.

Efekti Raman është përdorur për një kohë mjaft të gjatë dhe përdoret gjerësisht për të krijuar amplifikues të dritës dhe lazer të bazuar në fibra optike.

Parimi i funksionimit të pajisjeve të tilla është si më poshtë. Rrezatimi lazer (rrezatimi i pompës) me një gjatësi vale futet në një fibër optike (Fig. 5). Në një fibër optike, fotonet thithen nga atomet e rrjetës kristalore, të cilat si rezultat fillojnë të "lëkunden" (formohen fonone vibruese), dhe përveç kësaj, formohen fotone me energji më të ulët. Kjo është, thithja e çdo fotoni me një gjatësi vale l=1,55 mmçon në formimin e një fononi dhe një fotoni me një gjatësi vale l=1,63 mm.

Oriz. 5. Parimi i funksionimit të një përforcuesi të dritës për shkak të efektit Raman

Tani imagjinoni që ka edhe rrezatim të moduluar, i cili futet në të njëjtën fibër si rrezatimi i pompës dhe çon në emetim të stimuluar të fotoneve. Si rezultat, rrezatimi i pompës në një fibër të tillë gradualisht shndërrohet në rrezatim sinjalistik, të moduluar, të përforcuar, domethënë arrihet efekti i amplifikimit optik (Fig. 6).

Oriz. 6. Përdorimi i efektit Raman për përforcim
rrezatimi i moduluar në fibër optike

Problemi, megjithatë, është se një shndërrim i tillë i rrezes së pompës në rrezatim sinjali dhe, në përputhje me rrethanat, përforcimi i rrezatimit të sinjalit kërkon që rrezatimi i sinjalit dhe rrezatimi i pompës të udhëtojnë disa kilometra përgjatë fibrës optike. Natyrisht, qarqet e amplifikimit të bazuar në shumë kilometra fibër optike nuk mund të quhen të thjeshta dhe të lira, si rezultat i të cilave përdorimi i tyre është i kufizuar ndjeshëm.

Ndryshe nga qelqi, i cili përbën bazën e fibrës optike, efekti Raman në silikon është 10 mijë herë më i fortë dhe për të arritur të njëjtin rezultat si në fibrën optike, mjafton që rrezatimi i pompës dhe rrezatimi i sinjalit të përhapen së bashku në një distancë prej vetëm disa centimetra. Kështu, përdorimi i efektit Raman në silikon bën të mundur krijimin e amplifikatorëve miniaturë dhe të lirë të dritës ose lazerëve optikë.

Procesi i krijimit të një amplifikuesi optik silikoni, ose lazer Raman, fillon me krijimin e një përcjellësi optik silikoni. Ky proces teknologjik nuk është i ndryshëm nga procesi i krijimit të çipave tradicionalë CMOS duke përdorur substrate silikoni, i cili, natyrisht, është një avantazh i madh, pasi ul ndjeshëm koston e vetë procesit të prodhimit.

Rrezatimi i futur në një përcjellës valësh të tillë silikoni udhëton vetëm disa centimetra, pas së cilës (për shkak të efektit Raman) shndërrohet plotësisht në rrezatim sinjali me një gjatësi vale më të madhe.

Gjatë eksperimenteve, rezultoi se këshillohet të rritet fuqia e rrezatimit të pompës vetëm në një kufi të caktuar, pasi një rritje e mëtejshme e fuqisë nuk çon në një rritje të rrezatimit të sinjalit, por, përkundrazi, në dobësimin e tij. Arsyeja e këtij efekti është i ashtuquajturi absorbim me dy foton, kuptimi i të cilit është si më poshtë. Silici është një substancë optike transparente për rrezatim infra të kuqe, pasi energjia e fotoneve infra të kuqe është më e vogël se hendeku i brezit të silikonit dhe nuk mjafton për të transferuar atomet e silikonit në një gjendje të ngacmuar me lëshimin e një elektroni. Sidoqoftë, nëse densiteti i fotonit është i lartë, atëherë mund të lindë një situatë ku dy fotone përplasen njëkohësisht me një atom silikoni. Në këtë rast, energjia e tyre totale është e mjaftueshme për të transferuar atomin me lëshimin e një elektroni, domethënë, atomi kalon në një gjendje të ngacmuar me thithjen e dy fotoneve njëkohësisht. Ky proces quhet thithje me dy foton.

Elektronet e lira të prodhuara nga thithja me dy foton nga ana e tyre thithin si rrezatimin e pompës ashtu edhe rrezatimin e sinjalit, duke rezultuar në një reduktim të fortë të efektit të fitimit optik. Prandaj, sa më e lartë të jetë fuqia e rrezatimit të pompës, aq më i fortë është efekti i përthithjes me dy foton dhe thithja e rrezatimit nga elektronet e lira. Pasoja negative e përthithjes së dritës me dy foton pengoi krijimin e një lazeri silikoni me valë të vazhdueshme për një kohë të gjatë.

Në një lazer silikoni të krijuar në laboratorin Intel, për herë të parë u bë e mundur të shmangej efekti i thithjes me dy foton të rrezatimit, ose më mirë jo fenomeni i thithjes së dy fotoneve, por pasoja e tij negative - thithja e rrezatimit në elektronet e lira të formuara. Lazeri i silikonit është një strukturë e ashtuquajtur PIN (tipi P - Intrinsic - tipi N) (Fig. 7). Në këtë strukturë, një përcjellës valësh silikoni është i ngulitur brenda një strukture gjysmëpërçuese me një rajon P- dhe N. Kjo strukturë është e ngjashme me një qark të rrafshët të tranzistorit me një kullues dhe një burim, dhe në vend të një porte, një valëzues silikoni është i integruar. Vetë përcjellësi i valës së silikonit është formuar si një rajon drejtkëndor seksion kryq i silikonit (indeksi i thyerjes 3.6), i rrethuar nga një guaskë oksidi silikoni (indeksi i thyerjes 1.5). Falë këtij ndryshimi në indekset e thyerjes së silikonit kristalor dhe oksidit të silikonit, është e mundur të formohet një përcjellës valësh optik dhe të shmangen humbjet e rrezatimit për shkak të përhapjes tërthore.

Oriz. 7. Struktura PIN e një lazeri silikoni me valë të vazhdueshme

Duke përdorur një strukturë të tillë valore dhe një lazer pompë me një fuqi prej një fraksioni të një vat, është e mundur të krijohet rrezatim në një valëdhënës me një densitet të rendit 25 MW/cm 2, që është edhe më i lartë se dendësia e rrezatimit. mund të merret duke përdorur lazer gjysmëpërçues me fuqi të lartë. Fitimi Raman në këtë densitet rrezatimi nuk është shumë i lartë (në rendin e disa decibelëve për centimetër), por kjo densitet është mjaft e mjaftueshme për zbatimin e një lazeri.

Për të eliminuar efektin negativ të përthithjes së rrezatimit nga elektronet e lira të prodhuara në përcjellës valësh si rezultat i përthithjes me dy foton, midis dy portave vendoset një valëzues silikoni. Nëse krijohet një diferencë potenciale midis këtyre portave, atëherë nën ndikimin e një fushe elektrike, elektronet e lira dhe vrimat do të "tërhiqen" nga përcjellësi i valëve të silikonit, duke eliminuar kështu pasojat negative të përthithjes së dy fotoneve.

Për të formuar një lazer bazuar në këtë strukturë PIN, është e nevojshme të shtohen dy pasqyra në skajet e valëzuesit, njëra prej të cilave duhet të jetë e tejdukshme (Fig. 8).

Oriz. 8. Skema e një lazeri silikoni me valë të vazhdueshme

Lazer hibrid silikoni

Një lazer silikoni me valë të vazhdueshme i bazuar në efektin Raman në thelb kërkon një burim të jashtëm rrezatimi, i cili përdoret si rrezatim pompë. Në këtë kuptim, ky lazer nuk zgjidh një nga problemet kryesore të fotonikës së silikonit - aftësinë për të integruar të gjitha blloqet strukturore (burimet e rrezatimit, filtrat, modulatorët, demoduluesit, përcjellësit e valëve, etj.) në një çip të vetëm silikoni.

Për më tepër, përdorimi i burimeve të jashtme të rrezatimit optik (të vendosura jashtë çipit apo edhe në sipërfaqen e tij) kërkon saktësi shumë të lartë të shtrirjes lazer në lidhje me valëzuesin e silikonit, pasi shtrembërimi i disa mikronëve mund të çojë në mosfunksionim të të gjithë pajisjes (Fig. 9). Kërkesa për rregullim të saktë nuk lejon që kjo klasë pajisjesh të sillet në tregun masiv dhe i bën ato mjaft të shtrenjta. Prandaj, shtrirja e lazerit të silikonit në lidhje me valëzuesin e silikonit është një nga detyrat më të rëndësishme në fotonikën e silikonit.

Oriz. 9. Kur përdorni lazer të jashtëm, kërkohet shtrirja e saktë e lazerit
dhe përcjellës valësh

Ky problem mund të zgjidhet nëse lazeri dhe përcjellësi i valëve krijohen në një kristal brenda të njëjtit proces teknologjik. Kjo është arsyeja pse krijimi i një lazeri hibrid silikoni mund të konsiderohet si duke e çuar fotonikën e silikonit në një nivel të ri.

Parimi i funksionimit të një lazeri të tillë hibrid është mjaft i thjeshtë dhe bazohet në vetitë emetuese të fosfidit të indiumit (InP) dhe aftësinë e silikonit për të përcjellë dritën.

Struktura e lazerit hibrid është paraqitur në Fig. 10. Fosfidi i indiumit, i cili vepron si substanca aktive e një lazeri gjysmëpërçues, ndodhet drejtpërdrejt mbi valëzuesin e silikonit dhe ndahet prej tij nga një shtresë e hollë dielektrike (trashësia e tij është vetëm 25 shtresa atomike) - oksid silikoni, i cili është " transparente” ndaj rrezatimit të krijuar. Kur aplikohet një tension midis elektrodave, ndodh një rrjedhë e elektroneve në drejtim nga elektroda negative në pozitive. Si rezultat, një rrymë elektrike kalon nëpër strukturën kristalore të fosfidit të indiumit. Kur një rrymë elektrike kalon përmes fosfidit të indiumit, procesi i rikombinimit të vrimave dhe elektroneve prodhon fotone, domethënë rrezatim. Ky rrezatim godet drejtpërdrejt përcjellësin e valëve të silikonit.

Oriz. 10. Struktura e lazerit hibrid të silikonit

Struktura e përshkruar e një lazeri silikoni nuk kërkon shtrirje shtesë të lazerit në lidhje me valëzuesin e silikonit, pasi pozicioni i tyre relativ në lidhje me njëri-tjetrin realizohet dhe kontrollohet drejtpërdrejt gjatë formimit të strukturës monolit të lazerit hibrid.

Procesi i prodhimit të një lazeri të tillë hibrid ndahet në disa faza kryesore. Fillimisht, në një "sanduiç" të përbërë nga një shtresë silikoni, një shtresë izoluesi (oksid silikoni) dhe një shtresë tjetër silikoni, me gravurë formohet një strukturë valëdhënëse (Fig. 11), dhe kjo fazë teknologjike e prodhimit nuk ndryshon nga ato procese që përdoren gjatë mikroqarqeve të prodhimit

Oriz. 11. Formimi i një strukture valëdhënëse në silikon

Më pas, është e nevojshme të formohet një strukturë kristalore e indium fosfidit në sipërfaqen e valëmarrësit. Në vend që të përdoret procesi teknologjikisht kompleks i rritjes së një strukture kristalore të indium fosfidit në një strukturë valësh të formuar tashmë, një substrat fosfid indium së bashku me një shtresë gjysmëpërçuese n-lloji formohen veçmas, gjë që është shumë më e thjeshtë dhe më e lirë. Sfida është bashkimi i fosfidit të indiumit me strukturën e valëve.

Për ta bërë këtë, si struktura e përcjellësit të valëve të silikonit ashtu edhe nënshtresa e fosfidit të indiumit i nënshtrohen një procesi oksidimi në një plazmë oksigjeni me temperaturë të ulët. Si rezultat i këtij oksidimi, në sipërfaqen e të dy materialeve krijohet një shtresë oksidi me trashësi vetëm 25 shtresa atomike (Fig. 12).

Oriz. 12. Substrati i fosfidit të indiumit
me një shtresë oksidi të formuar

Kur dy materiale nxehen dhe shtypen së bashku, shtresa e oksidit vepron si një ngjitës transparent, duke i shkrirë ato në një kristal të vetëm (Fig. 13).

Oriz. 13. “Ngjitja” e strukturës së valëve të silikonit
me suport fosfidi indium

Është pikërisht për shkak se lazeri i silikonit i dizajnit të përshkruar përbëhet nga dy materiale të ngjitura së bashku, ai quhet hibrid. Pas procesit të lidhjes, fosfidi i tepërt i indiumit hiqet me gravurë dhe krijohen kontakte metalike.

Procesi teknologjik për prodhimin e lazerëve hibrid të silikonit lejon që dhjetëra dhe madje qindra lazer të vendosen në një çip (Fig. 14).

Oriz. 14. Skema e një çipi që përmban katër
lazer hibrid silikoni

Çipi i parë, i demonstruar nga Intel së bashku me Universitetin e Kalifornisë, përmbante shtatë lazer hibrid silikoni (Fig. 15).

Oriz. 15. Rrezatimi nga shtatë lazer hibrid silikoni,
bërë në një çip

Këta lazer hibridë funksionojnë në një gjatësi vale prej 1577 nm me një rrymë pragu prej 65 mA me fuqi dalëse deri në 1.8 mW.

Aktualisht, lazeri hibrid i silikonit është funksional në temperatura nën 40 °C, por në të ardhmen është planifikuar të rritet temperatura e funksionimit në 70 °C dhe të ulet rryma e pragut në 20 mA.

E ardhmja e fotonikës së silikonit

Zhvillimi i një lazeri hibrid silikoni mund të ketë implikime të gjera për fotonikën e silikonit dhe të çojë në epokën e informatikës me performancë të lartë.

Në të ardhmen e afërt, dhjetëra lazer silikoni, modulatorë dhe një multiplekser do të integrohen në çip, gjë që do të bëjë të mundur krijimin e kanaleve optike të komunikimit me xhiro terabit (Fig. 16).

Oriz. 16. Mikroqark i kanalit të komunikimit optik,
që përmban dhjetëra lazer silikoni,
filtra, modulatorë dhe multipleksorë

“Me këtë zhvillim, ne do të jemi në gjendje të krijojmë autobusë të dhënash optike me kosto të ulët me gjerësi bande terabit për kompjuterët e së ardhmes. Kështu, ne do të jemi në gjendje të afrojmë fillimin e një epoke të re të informatikës me performancë të lartë, "tha Mario Paniccia, drejtor i Laboratorit të Teknologjisë Photonics në Intel Corporation. “Megjithëse përdorimi komercial i kësaj teknologjie është ende shumë larg, ne jemi të sigurt se do të jetë e mundur të akomodohen dhjetëra apo edhe qindra lazer hibrid silikoni, si dhe komponentë të tjerë të bazuar në fotonikën e silikonit, në një çip të vetëm silikoni.”

Fotonika e silikonit: a do të zëvendësojë drita energjinë elektrike?

Lazeri me valë të vazhdueshme gjysmëpërçues zgjidh problemin e mëparshëm të absorbimit të dy fotoneve të pakapërcyeshëm

Mikroelektronika tashmë përballet me kufizime fizike (në nivel atomik) në transmetimin e sinjaleve elektrike ndërmjet çipave. Një zgjidhje e mundshme për këtë problem mund të jetë zhvillimi i teknologjive jo tradicionale, në veçanti fotonika e silikonit.

Intel ka krijuar tashmë shumë nga strukturat e nevojshme për të transferuar sinjale midis çipave duke përdorur dritën aq lehtë sa elektronet bëjnë sot. Problemi kryesor për këtë ishte mungesa e një burimi të përshtatshëm drite. Intel kohët e fundit njoftoi një zbulim të ri në këtë fushë - lazerin e parë me valë të vazhdueshme gjysmëpërçuese duke përdorur një fenomen fizik të quajtur efekti Raman (në mekanikën kuantike, efekti Raman përshkruhet si shkëmbimi i energjisë midis molekulave të një lënde shpërndarëse dhe dritës rënëse ), dhe të ndërtuara duke përdorur kristalet standarde CMOS jashtë raftit.

Duke shfrytëzuar fuqinë e gjysmëpërçuesve, studiuesit e Intel-it ishin në gjendje të realizonin funksionalitetin e një lazeri Raman tradicional, të rëndë, me bazë xhami, zakonisht me madhësinë e një valixheje, duke reduktuar madhësinë e tij në trashësinë e një piste të vetme në një vaferë silikoni.

Ky zbulim në fotonikën e silikonit do të çojë në zgjidhje praktike dhe të përballueshme për komunikimet dhe llogaritjen, pajisjet dhe sensorët e rinj mjekësorë dhe lazerët gjysmëpërçues të sintonizueshëm mund të zëvendësojnë paraardhësit e tyre, të cilat kushtojnë qindra e mijëra dollarë. Kjo arritje mund të çojë gjithashtu në zhvillimin më të shpejtë të ndërlidhjeve të reja optike midis çipave dhe pajisjeve të jashtme, si Fijet e holla optike zënë më pak hapësirë ​​se kabllot elektrike dhe do të ofrojnë kushte më të mira ftohjeje për kompjuterët dhe serverët.

Vaferi i demonstrimit me lazer gjysmëpërçues u fabrikua duke përdorur teknologjinë standarde CMOS në një linjë prodhimi ekzistuese. Kjo do të thotë se për këto teknologji të reja, rruga nga laboratori në prodhim mund të mos jetë e gjatë dhe komplekse, siç është rasti me disa teknologji jokonvencionale, por më tepër e drejtpërdrejtë dhe e shpejtë.

2007-ta e kaluar ishte shumë e suksesshme për zhvillimin e shumë teknologjive Intel, përfshirë në fushën e fotonikës së silikonit. Revista MIT Technology Review krahasoi arritjet më të fundit të zbulimit të Intel në këtë fushë me një fitore të trefishtë në gara - kështu vlerësuan vëzhguesit e botimit kryesor një seri njoftimesh zyrtare nga korporata. Sipas Justin Rattner, zyrtari kryesor i teknologjisë dhe kreu i Grupit të Teknologjisë së Korporatës Intel, “Ne kemi demonstruar në mënyrë empirike se teknologjitë e prodhimit të pajtueshme me dizajnin e silikonit CMOS mundësojnë krijimin e pajisjeve optike gjysmëpërçuese.

Vërtetimi i këtij fakti ishte një arritje e madhe, por nuk nevojiten hapa më pak domethënës për zhvillimin e mëtejshëm të këtij drejtimi teknologjik. Tani duhet të mësojmë se si t'i integrojmë pajisjet fotonike të silikonit në komponentët standardë të kompjuterit; Ne ende nuk dimë si ta bëjmë këtë. Por në të njëjtën kohë, ne vazhdojmë të punojmë në mënyrë aktive me divizionet e përfshira në zhvillimin e llojeve të ndryshme të produkteve për t'u ofruar prodhuesve modele për përdorimin e fotonikës gjysmëpërçuese në zgjidhjet Intel."

Fotonika e silikonit si një mjet për të eliminuar pengesat në rrugën drejt epokës së kompjuterit tera

Fotonika e silikonit është një komponent kritik i strategjisë afatgjatë të zhvillimit të Grupit të Teknologjisë së Korporatës që synon përshpejtimin e kalimit në llogaritjen tera. Fakti është se ndërsa zhvillohen procesorë me shumë bërthama me fuqi të madhe llogaritëse, lindin probleme të reja për inxhinierët. Për shembull, kërkesa për shpejtësi komunikimi ndërmjet kujtesës dhe procesorit së shpejti do të tejkalojë kufizimet fizike të vendosura nga përçuesit e bakrit dhe shpejtësia e transmetimit të sinjaleve elektrike do të bëhet më e ngadaltë se shpejtësia e procesorit. Tashmë, performanca e sistemeve të fuqishme informatike shpesh kufizohet nga shpejtësia e shkëmbimit të të dhënave midis procesorit dhe kujtesës. Teknologjitë e sotme të transmetimit të të dhënave janë të dizajnuara për gjerësi bande shumë më të ulët në krahasim me fotonikën, dhe ndërsa distanca mbi të cilën transmetohen të dhënat rritet, shpejtësia e transmetimit bëhet edhe më e ngadaltë.

Testet e një prototipi të modulit të memories optike kanë treguar se drita, dhe jo energjia elektrike, mund të përdoret për të hyrë në kujtesën e serverit

"Ne duhet të përputhim shpejtësinë e transferimit të të dhënave midis komponentëve të platformës kompjuterike me shpejtësinë e procesorëve. Kjo është me të vërtetë një detyrë shumë e rëndësishme. Ne e shohim fotonikën e silikonit si një zgjidhje për këtë problem, dhe për këtë arsye kemi një program kërkimor që na lejon të zëmë një pozitë udhëheqëse në këtë fushë." , tha Kevin Kahn, Inxhinier i shquar i Kërkimit në Intel Corporation.

Një ekip i udhëhequr nga studiuesi kryesor i optikës i Intel, Drew Alduino, po zhvillon një sistem komunikimi optik nga procesori në kujtesë për platformat Intel. Tashmë është krijuar një platformë testimi e bazuar në memorien FB-DIMM të buferuar plotësisht, në të cilën niset dhe ekzekutohet Microsoft Windows. Prototipi aktual është dëshmi e aftësisë për të lidhur memorien me procesorin duke përdorur linja komunikimi optike pa kompromentuar performancën e sistemit.

Krijimi i një versioni komercial të një zgjidhjeje të tillë ka përfitime të mëdha për përdoruesit. Sistemet e komunikimit optik do të eliminojnë pengesën midis gjerësisë së brezit të memories dhe shpejtësisë së procesorit dhe do të përmirësojnë performancën e përgjithshme të platformës kompjuterike.

Nga kërkimi në zbatim

Laboratori i Teknologjisë Photonics, i udhëhequr nga Inxhinieri i Dalluar i Kërkimit të Intel, Mario Paniccia, ka vërtetuar se të gjithë komponentët e komunikimit optik - lazer, modulator dhe demodulator - mund të prodhohen nga gjysmëpërçuesit duke përdorur teknologjitë ekzistuese të prodhimit. PTL ka demonstruar tashmë komponentë kritikë të fotonikës së silikonit që funksionojnë me performancë rekord, duke përfshirë modulatorët dhe demoduluesit që ofrojnë shpejtësi të dhënash deri në 40 Gbps.

Për të zbatuar teknologjinë e fotonikës gjysmëpërçuese, kërkohen gjashtë komponentë kryesorë:

• fotone që lëshojnë lazer;
• një modulator për konvertimin e një rryme fotonesh në një rrjedhë informacioni për transmetim midis elementeve të platformës kompjuterike;
• përcjellës valësh, të cilët veprojnë si "linja transmetimi" për të dërguar fotone në destinacionet e tyre dhe multiplekserë për të kombinuar ose ndarë sinjalet e dritës;
• një rast, veçanërisht i nevojshëm për krijimin e teknologjive të montimit dhe zgjidhjeve me kosto të ulët që mund të përdoren në prodhimin masiv të PC-ve;
• një demodulator për marrjen e rrymave të fotoneve që mbartin informacion dhe i kthejnë ato përsëri në një rrjedhë elektronesh, të disponueshme për përpunim nga një kompjuter;
• qarqet elektronike për të kontrolluar këta komponentë.

Çështja e zbatimit të të gjithë këtyre komponentëve të komunikimit optik duke përdorur teknologji gjysmëpërçuese njihet gjerësisht si një problem i madh kërkimor, zgjidhja e të cilit do të çojë në një përparim të madh teknik. PTL ka vendosur tashmë një numër rekordesh botërore duke zhvilluar pajisje me performancë të lartë, modulatorë, amplifikues dhe demodulatorë që ofrojnë shpejtësi të dhënash deri në 40 Gbps. Gjatë pesë viteve të ardhshme, Intel do të kërkojë t'i integrojë këta komponentë në produktet aktuale.

Në fushën e fotonikës gjysmëpërçuese, Intel tashmë ka hyrë në shtrirjen e shtëpisë. Kërkimet në fushën e integrimit të elementeve optike tashmë kanë kaluar nga faza e zhvillimit shkencor ose teknologjik në fazën e krijimit të produkteve komerciale. Ekipi hulumtues tani është i fokusuar në identifikimin e aftësive dhe specifikimeve për dizajnimin e produkteve inovative bazuar në këtë teknologji revolucionare. Në fund të fundit, ekipet e Intel krijojnë prototipe dhe punojnë ngushtë me ekipet e zhvillimit të produkteve për të përshpejtuar adoptimin e teknologjisë së re.

Përveç aktiviteteve të veta, Intel Corporation financon disa nga kërkimet më premtuese në këtë drejtim jashtë CTG - në veçanti, ajo bashkëpunon me Universitetin e Kalifornisë në Santa Barbara, i cili po zhvillon një lazer gjysmëpërçues hibrid. Praktika në laboratorin PTL i nënshtrohen edhe të diplomuar të talentuar nga universitete të ndryshme nga vende të tjera.

Studiuesi kryesor i optikës i Intel, Richard Jones, tha: "Ne kemi dy sfida të mëdha në projektin e lazerit hibrid në vazhdim. Së pari, ne duhet të zhvendosim objektin e prodhimit pilot të lazerit hibrid nga UCLA në fabrikën e Intel. "Së dyti, ne duhet të kombinojmë një lazer hibrid, një modulator gjysmëpërçues me shpejtësi të lartë dhe një multiplekser për të vërtetuar se ne mund të krijojmë një transmetues të vetëm optik bazuar në teknologjinë e prodhimit të përputhshëm me CMOS.

Futja e teknologjive të fotonikës së silikonit do të përfshijë zhvillimin e proceseve të reja të prodhimit për prodhimin e lazerëve në shkallë vëllimi të lartë. Sukseset e Intel në fushën e fotonikës do ta lejojnë atë të tejkalojë ndjeshëm konkurrentët e mundshëm. Laboratori PTL ka regjistruar tashmë rreth 150 patenta. Publikimet më prestigjioze, si Nature, vunë në dukje arritjet e pashembullta të specialistëve të Intel. Për më tepër, Intel iu dha çmimi EE Times ACE 2007 për Teknologjinë e Re Më Premtuese.

Duke ndjekur fotone

Ndryshe nga proceset ekzistuese të mirëpërcaktuara të prodhimit të transistorëve që janë provuar për dekada, teknologjia për krijimin e elementeve për fotonikën gjysmëpërçuese është krejtësisht e re. Ka disa probleme në rrugën drejt zbatimit të tij: optimizimi i pajisjeve, rritja e besueshmërisë së projektimit, zhvillimi i metodologjisë së testimit, sigurimi i efikasitetit të energjisë dhe zhvillimi i pajisjeve nënminiaturë.

Në mënyrë që komponentët e rinj të përdoren në praktikë, PTL duhet të sigurojë që komponentët optikë plotësojnë kriteret jashtëzakonisht të larta të besueshmërisë së industrisë informatike. Në industrinë optike, standarde të rrepta të besueshmërisë janë zhvilluar gjatë dekadave. Në përputhje me to, kërkohen muaj të tërë testimi përpara fillimit të prodhimit masiv të produkteve të reja. Nëse identifikohen probleme gjatë këtyre testeve të gjata, korrigjimi i tyre dhe ritestimi mund të vonojë ndjeshëm kohën e produktit në treg.

Një nga problemet më të rëndësishme është optimizimi, sepse laboratori PTL zhvillon pajisje optike për llogaritjen masive. Ndërsa nuk ka produkte të tjera të ngjashme, standarde apo pika të tjera referimi, inxhinierët që zhvillojnë një proces të ri teknologjik vetë kërkojnë zgjidhje që plotësojnë më mirë nevojat e aplikacioneve kompjuterike.

Aktualisht, grupi i kërkimit PTL, relativisht i vogël sipas standardeve të fotoelektronikës, po e zhvendos gradualisht fokusin e tij në komercializimin e zgjidhjeve fotonike gjysmëpërçuese dhe pret që adoptimi masiv i kësaj teknologjie të jashtëzakonshme të fillojë që në vitin 2010.

Një grup specialistësh të optikës nga Digital Enterprise Group (DEG), i udhëhequr nga Victor Krutul, po zhvillon aplikacione që do të ofrojnë bazën për zhvillimin e teknologjisë së re. "Ne besojmë se duke zotëruar komunikimet optike, produktet e Intel do të vazhdojnë të jenë në përputhje me Ligjin e Moore", thotë Krutal.

Kur fotonet, dhe jo elektronet, përdoren për të transferuar informacion midis komponentëve të së njëjtës platformë kompjuterike dhe midis sistemeve të ndryshme, do të ndodhë revolucioni i ardhshëm i kompjuterit. Prodhuesit kryesorë të elektronikës në mbarë botën i janë bashkuar tashmë kësaj gare, duke kërkuar të fitojnë një avantazh konkurrues. Rëndësia e teknologjisë së re mund të krahasohet me shpikjen e qarqeve të integruara. Intel po udhëheq rrugën në këtë kërkim dhe në zhvillimin e komponentëve të bazuar në fotonikën gjysmëpërçuese.

65 nanometra është synimi i radhës i impiantit të Zelenogradit Angstrem-T, i cili do të kushtojë 300-350 milionë euro. Kompania ka paraqitur tashmë një kërkesë për një kredi preferenciale për modernizimin e teknologjive të prodhimit në Vnesheconombank (VEB), njoftoi Vedomosti këtë javë duke iu referuar kryetarit të bordit të drejtorëve të uzinës, Leonid Reiman. Tani Angstrem-T po përgatitet të nisë një linjë prodhimi për mikroqarqet me një topologji 90 nm. Pagesat për kredinë e mëparshme VEB, për të cilën është blerë, do të fillojnë në mesin e vitit 2017.

Pekini rrëzon Wall Street

Indekset kryesore amerikane shënuan ditët e para të Vitit të Ri me një rënie rekord, miliarderi George Soros ka paralajmëruar tashmë se bota po përballet me një përsëritje të krizës së vitit 2008.

Procesori i parë rus i konsumatorit Baikal-T1, me çmim 60 dollarë, po lëshohet në prodhim masiv

Kompania Baikal Electronics premton të nisë në prodhim industrial procesorin rus Baikal-T1 që kushton rreth 60 dollarë në fillim të 2016. Pajisjet do të jenë të kërkuara nëse qeveria krijon këtë kërkesë, thonë pjesëmarrësit e tregut.

MTS dhe Ericsson së bashku do të zhvillojnë dhe zbatojnë 5G në Rusi

Mobile TeleSystems PJSC dhe Ericsson kanë hyrë në marrëveshje bashkëpunimi në zhvillimin dhe zbatimin e teknologjisë 5G në Rusi. Në projektet pilot, përfshirë gjatë Kupës së Botës 2018, MTS synon të testojë zhvillimet e shitësit suedez. Në fillim të vitit të ardhshëm, operatori do të fillojë një dialog me Ministrinë e Telekomit dhe Komunikacionit Masiv për formimin e kërkesave teknike për gjeneratën e pestë të komunikimeve celulare.

Sergey Chemezov: Rostec është tashmë një nga dhjetë korporatat më të mëdha inxhinierike në botë

Kreu i Rostec, Sergei Chemezov, në një intervistë për RBC, iu përgjigj pyetjeve të ngutshme: për sistemin Platon, problemet dhe perspektivat e AVTOVAZ, interesat e Korporatës Shtetërore në biznesin farmaceutik, foli për bashkëpunimin ndërkombëtar në kontekstin e sanksioneve. presion, zëvendësim importi, riorganizim, strategji zhvillimi dhe mundësi të reja në kohë të vështira.

Rostec po "rrethohet" dhe po shkel dafinat e Samsung dhe General Electric

Bordi Mbikëqyrës i Rostec miratoi "Strategjinë e Zhvillimit deri në vitin 2025". Objektivat kryesore janë rritja e pjesës së produkteve civile të teknologjisë së lartë dhe arritja e General Electric dhe Samsung në treguesit kryesorë financiarë.