stringtranslate.com

Фотонная интегральная схема

Фотонная интегральная схема ( PIC ) или интегральная оптическая схема — это микрочип, содержащий два или более фотонных компонента, которые образуют функционирующую схему. Эта технология обнаруживает, генерирует, транспортирует и обрабатывает свет. Фотонные интегральные схемы используют фотоны (или частицы света) в отличие от электронов , которые используются в электронных интегральных схемах . Основное различие между ними заключается в том, что фотонная интегральная схема обеспечивает функции для информационных сигналов, налагаемых на оптические длины волн, обычно в видимом спектре или в ближнем инфракрасном диапазоне (850–1650 нм).

Одним из наиболее коммерчески используемых материалов для фотонных интегральных схем является фосфид индия (InP), который позволяет интегрировать различные оптически активные и пассивные функции на одном кристалле. Первоначальными примерами фотонных интегральных схем были простые двухсекционные лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR), состоящие из двух независимо управляемых секций устройства - секции усиления и секции зеркала DBR. Следовательно, все современные монолитные перестраиваемые лазеры, широко перестраиваемые лазеры, лазеры и передатчики с внешней модуляцией, интегральные приемники и т. д. являются примерами фотонных интегральных схем. По состоянию на 2012 год устройства объединяют сотни функций в одном чипе. [1] Новаторская работа в этой области была проведена в Bell Laboratories. Наиболее известными академическими центрами фотонных интегральных схем в InP являются Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, США, Технологический университет Эйндховена и Университет Твенте в Нидерландах.

Разработка 2005 года [2] показала, что кремний, хотя и является материалом с непрямой запрещенной зоной, все же может использоваться для генерации лазерного света посредством рамановской нелинейности. Такие лазеры управляются не электрическим, а оптическим приводом, и поэтому все еще требуют дополнительного лазерного источника оптической накачки.

История

Фотоника — это наука, лежащая в основе обнаружения, генерации и манипулирования фотонами . Согласно квантовой механике и концепции корпускулярно-волнового дуализма, впервые предложенной Альбертом Эйнштейном в 1905 году, свет действует как электромагнитная волна и частица. Например, полное внутреннее отражение в оптическом волокне позволяет ему действовать как волновод .

Интегральные схемы с использованием электрических компонентов были впервые разработаны в конце 1940-х и начале 1950-х годов, но только в 1958 году они стали коммерчески доступными. Когда в 1960-х годах были изобретены лазер и лазерный диод, термин «фотоника» стал более широко использоваться для описания применения света для замены приложений, ранее реализованных с помощью электроники.

К 1980-м годам фотоника получила распространение благодаря своей роли в оптоволоконной связи. В начале десятилетия ассистент новой исследовательской группы Делфтского технологического университета Мейнт Смит начал новаторскую работу в области интегрированной фотоники. Ему приписывают изобретение волноводной решетки (AWG) , основного компонента современных цифровых соединений для Интернета и телефонов. Смит получил несколько наград, в том числе грант ERC Advanced Grant, премию за звание в области оптоэлектроники и премию LEOS за технические достижения. [3]

В октябре 2022 года в ходе эксперимента, проведенного в Датском техническом университете в Копенгагене , фотонный чип передал 1,84 петабита данных в секунду по оптоволоконному кабелю длиной более 7,9 километров. Сначала поток данных был разбит на 37 секций, каждая из которых направлялась по отдельной жиле оптоволоконного кабеля. Затем каждый из этих каналов был разделен на 223 части, соответствующие эквидистантным вспышкам света по всему спектру. [4]

Сравнение с электронной интеграцией

В отличие от электронной интеграции, где преобладающим материалом является кремний , системные фотонные интегральные схемы изготавливаются из различных материальных систем, включая электрооптические кристаллы, такие как ниобат лития , кремний на кремнии, кремний на изоляторе , различные полимеры и полупроводниковые материалы. используется для изготовления полупроводниковых лазеров, таких как GaAs и InP . Используются разные системы материалов, поскольку каждая из них предоставляет разные преимущества и ограничения в зависимости от интегрируемой функции. Например, PIC на основе диоксида кремния (диоксида кремния) обладают очень желательными свойствами для пассивных фотонных схем, таких как AWG (см. ниже), из-за их сравнительно низких потерь и низкой тепловой чувствительности. PIC на основе GaAs или InP позволяют напрямую интегрировать источники света и кремниевые PIC позволяют коинтеграцию фотоники с электроникой на основе транзисторов. [5]

Методы изготовления аналогичны тем, которые используются в электронных интегральных схемах, в которых фотолитография используется для создания рисунка на пластинах для травления и осаждения материала. В отличие от электроники, где основным устройством является транзистор , здесь не существует одного доминирующего устройства. Диапазон устройств, необходимых для чипа, включает в себя волноводы с малыми потерями , делители мощности, оптические усилители , оптические модуляторы , фильтры, лазеры и детекторы. Эти устройства требуют множества различных материалов и технологий изготовления, что затрудняет реализацию их всех на одном чипе. [ нужна цитата ]

Новые методы, использующие резонансную фотонную интерферометрию, открывают путь к использованию УФ-светодиодов для оптических вычислений с гораздо более низкими затратами, что ведет к петагерцовой бытовой электронике. [ нужна цитата ]

Примеры фотонных интегральных схем

Основное применение фотонных интегральных схем находится в области оптоволоконной связи, хотя возможны также применения в других областях, таких как биомедицина [6] и фотонные вычисления .

Матричные волноводные решетки (AWG), которые обычно используются в качестве оптических (дем) мультиплексоров в волоконно-оптических системах связи с мультиплексированием по длине волны (WDM), являются примером фотонной интегральной схемы, которая заменила предыдущие схемы мультиплексирования, в которых использовалось несколько дискретных фильтрующих элементов. Поскольку разделение оптических мод необходимо для квантовых вычислений , эта технология может быть полезна для миниатюризации квантовых компьютеров (см. Линейные оптические квантовые вычисления ).

Другим примером фотонного интегрированного чипа, широко используемого сегодня в волоконно-оптических системах связи, является лазер с внешней модуляцией (EML), который сочетает в себе лазерный диод с распределенной обратной связью и электроабсорбционный модулятор [7] на одном чипе на основе InP .

Приложения

Поскольку глобальное потребление данных растет, а спрос на более быстрые сети продолжает расти, миру необходимо найти более устойчивые решения для энергетического кризиса и изменения климата. В то же время на рынке появляются все более инновационные приложения для сенсорных технологий, такие как лидар в автономных транспортных средствах . [8] Необходимо идти в ногу с технологическими проблемами.

Расширение сетей передачи данных и центров обработки данных 5G , более безопасное автономное вождение транспортных средств и более эффективное производство продуктов питания не могут быть устойчиво обеспечены только с помощью технологии электронных микрочипов. Однако объединение электрических устройств со встроенной фотоникой обеспечивает более энергоэффективный способ увеличения скорости и емкости сетей передачи данных, снижения затрат и удовлетворения все более разнообразного спектра потребностей в различных отраслях.

Данные и телекоммуникации

Основное применение PIC — в области оптоволоконной связи . Матричная волноводная решетка (AWG), которая обычно используется в качестве оптических (де) мультиплексоров в волоконно-оптических системах связи с мультиплексированием по длине волны (WDM), является примером фотонной интегральной схемы. [9] Другим примером волоконно-оптических систем связи является лазер с внешней модуляцией (EML), который сочетает в себе лазерный диод с распределенной обратной связью и электроабсорбционный модулятор .

PIC также могут увеличить пропускную способность и скорость передачи данных за счет использования маломодовых оптических плоских волноводов. Особенно, если моды из обычных одномодовых планарных волноводов можно легко преобразовать в маломодовые и избирательно возбуждать нужные моды. Например, двунаправленный слайсер и объединитель пространственных мод [10] можно использовать для достижения желаемых режимов высшего или низшего порядка. Принцип его работы зависит от каскадных каскадов планарных градиентных волноводов V-образной и/или М-образной формы.

PIC могут не только увеличить пропускную способность и скорость передачи данных, но и снизить энергопотребление в центрах обработки данных , которые тратят большую часть энергии на охлаждение серверов. [11]

Здравоохранение и медицина

Используя передовые биосенсоры и создавая более доступные диагностические биомедицинские инструменты, интегрированная фотоника открывает двери для технологии «лаборатория на чипе» (LOC) , сокращая время ожидания и передавая диагноз из лабораторий в руки врачей и пациентов. Диагностическая платформа SurfiX Diagnostics, основанная на сверхчувствительном фотонном биосенсоре, обеспечивает различные тесты на месте оказания медицинской помощи. [12] Аналогично, компания Amazec Photonics разработала технологию оптоволоконных датчиков с фотонными чипами, которая позволяет измерять температуру с высоким разрешением (доли 0,1 миллиКельвина) без необходимости введения датчика температуры внутрь тела. [13] Таким образом, медицинские специалисты могут измерять как сердечный выброс, так и объем циркулирующей крови снаружи тела. Еще одним примером технологии оптических датчиков является устройство OptiGrip от EFI, которое обеспечивает больший контроль над ощущением тканей при минимально инвазивной хирургии.

Автомобильные и инженерные приложения

PIC могут применяться в сенсорных системах, таких как лидар (что означает обнаружение света и определение дальности), для мониторинга окружения транспортных средств. [14] Его также можно реализовать в автомобиле через Li-Fi , который похож на Wi-Fi, но использует свет. Эта технология облегчает связь между транспортными средствами и городской инфраструктурой, повышая безопасность водителей. Например, некоторые современные автомобили распознают дорожные знаки и напоминают водителю об ограничении скорости.

С инженерной точки зрения оптоволоконные датчики можно использовать для обнаружения различных величин, таких как давление, температура, вибрации, ускорения и механические напряжения. [15] Сенсорная технология PhotonFirst использует интегрированную фотонику для измерения таких факторов, как изменение формы самолетов, температура аккумуляторов электромобилей и нагрузка на инфраструктуру.

Сельское хозяйство и продовольствие

Датчики играют важную роль в инновациях в сельском хозяйстве и пищевой промышленности, позволяя сократить потери и выявить болезни. [16] Технология светочувствительности на основе PIC может измерять переменные, выходящие за пределы человеческого глаза, позволяя цепочке поставок продуктов питания обнаруживать болезни, спелость и питательные вещества во фруктах и ​​растениях. Это также может помочь производителям продуктов питания определять качество почвы и рост растений, а также измерять выбросы CO 2 . Новый миниатюрный датчик ближнего инфракрасного диапазона, разработанный MantiSpectra, достаточно мал, чтобы поместиться в смартфон, и может использоваться для анализа химических соединений таких продуктов, как молоко и пластмассы. [17]

Виды изготовления и материалы.

Методы изготовления аналогичны тем, которые используются в электронных интегральных схемах, в которых фотолитография используется для создания рисунка на пластинах для травления и осаждения материала.

Наиболее универсальными платформами считаются фосфид индия (InP) и кремниевая фотоника (SiPh):

Термин «кремниевая фотоника» на самом деле относится к технологии, а не к материалу. Он сочетает в себе фотонные интегральные схемы (PIC) высокой плотности с производством дополнительной электроники на основе металлооксидных полупроводников (CMOS). Наиболее технологически развитой и коммерчески используемой платформой является кремний на изоляторе (SOI).

Другие платформы включают:

Комбинируя и настраивая различные типы чипов (включая существующие электронные чипы) в гибридной или гетерогенной интеграции , можно использовать сильные стороны каждого из них. Использование этого дополнительного подхода к интеграции удовлетворяет спрос на все более сложные энергоэффективные решения.

Разработчики

Государственно-частные партнерства , такие как PhotonDelta в Европе и Американский институт производства интегрированной фотоники в США, также обеспечивают сквозные цепочки поставок и экосистемы, которые помогают запускать и масштабировать компании, работающие в области интегрированной фотоники.

Организации, специализирующиеся на различных видах производства и НИОКР:

Текущее состояние

По состоянию на 2010 год фотонная интеграция была активной темой в контрактах Министерства обороны США. [20] [21] Он был включен Форумом оптических межсетевых сетей для включения в стандарты оптических сетей на частоте 100 гигагерц. [22]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Ларри Колдрен; Скотт Корзин; Милан Машанович (2012). Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы (второе изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781118148181.
  2. ^ Ронг, Хайшэн; Джонс, Ричард; Лю, Аньшэн; Коэн, Одед; Хак, Дэни; Фанг, Александр; Паничча, Марио (февраль 2005 г.). «Кремниевый комбинационный лазер непрерывного действия». Природа . 433 (7027): 725–728. Бибкод : 2005Natur.433..725R. дои : 10.1038/nature03346 . PMID  15716948. S2CID  4429297.
  3. ^ «Майнт Смит назван лауреатом премии Джона Тиндаля 2022 года» . Оптика (ранее OSA) . 23 ноября 2021 г. Проверено 20 сентября 2022 г.
  4. ^ «Чип может передавать весь интернет-трафик каждую секунду» . 20 октября 2022 г. doi : 10.1038/s41566-022-01082-z. S2CID  253055705 . Проверено 28 октября 2022 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  5. ^ Нарасимха, Адитьярам; Аналуи, Бехнам; Балматер, Эрвин; Кларк, Аарон; Гал, Томас; Гукенбергер, Дрю; и другие. (2008). «Оптоэлектронный приемопередатчик QSFP со скоростью 40 Гбит / с, выполненный по технологии КМОП-кремний на изоляторе толщиной 0,13 мкм». OFC/NFOEC 2008–2008 Конференция по оптоволоконной связи/Национальная конференция инженеров по оптоволокну . п. ОМК7. дои : 10.1109/OFC.2008.4528356. ISBN 978-1-55752-856-8. S2CID  43850036.
  6. ^ Ранг, Элизабет А.; Сентоза, Райан; Харпер, Даниэль Дж.; Салас, Матиас; Гаугутц, Анна; Сейрингер, Дана; Невласил, Стефан; Маезе-Ново, Алехандро; Эггелинг, Мориц; Мюлльнер, Пол; Хайнбергер, Райнер; Загмайстер, Мартин; Крафт, Йохен; Лейтгеб, Райнер А.; Дрекслер, Вольфганг (5 января 2021 г.). «На пути к оптической когерентной томографии на чипе: трехмерная визуализация сетчатки человека in vivo с использованием волноводных решеток на основе фотонных интегральных схем». Легкие научные приложения . 10 (6): 6. Бибкод : 2021LSA....10....6R. дои : 10.1038/s41377-020-00450-0. ПМЦ 7785745 . ПМИД  33402664. 
  7. ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Электроабсорбционные модуляторы». www.rp-photonics.com .
  8. ^ PhotonDelta и AIM Photonics (2020). «Обзор IPSR-I 2020» (PDF) . ИПСР-I : 8, 12, 14.
  9. ↑ Inside Telecom Staff (30 июля 2022 г.). «Как фотонные чипы могут помочь создать устойчивую цифровую инфраструктуру?». Внутри Телекома . Проверено 20 сентября 2022 г.
  10. ^ Авад, Эхаб (октябрь 2018 г.). «Двунаправленное разделение мод и повторное объединение для преобразования мод в плоских волноводах». Доступ IEEE . 6 (1): 55937. doi : 10.1109/ACCESS.2018.2873278 . S2CID  53043619.
  11. ^ Вердеккья Р., Лаго П. и де Врис К. (2021). Технологический ландшафт LEAP: решения Программы ускорения снижения энергопотребления (LEAP), факторы внедрения, препятствия, открытые проблемы и сценарии.
  12. ↑ Боксмир, Адри (1 апреля 2022 г.). «Фотоника может быть использована в целях безопасности и в работе». Истоки инноваций (на голландском языке) . Проверено 20 сентября 2022 г.
  13. ↑ Ван Гервен, Пол (10 июня 2021 г.). «Amazec использует технологию ASML для диагностики сердечной недостаточности». Биты и чипы . Проверено 20 сентября 2022 г.
  14. ↑ Де Врис, Кэрол (5 июля 2021 г.). «Дорожная карта интегрированной фотоники для автомобилестроения» (PDF) . ФотонДельта . Проверено 20 сентября 2022 г.
  15. ^ "Technobis fotonica activiteiten op eigen benen als PhotonFirst" . Журнал Link (на голландском языке). 1 января 2021 года . Проверено 20 сентября 2022 г.
  16. ↑ Моррисон, Оливер (28 марта 2022 г.). «Да будет свет: Нидерланды исследуют фотонику как решение продовольственной безопасности». Пищевой навигатор . Проверено 20 сентября 2022 г.
  17. ^ Хаккель, Кейли Д.; Петруццелла, Мауранжело; Оу, Фанг; ван Клинкен, Энн; Пальяно, Франческо; Лю, Тяньрань; ван Вельдховен, Рене П.Дж.; Фиоре, Андреа (10 января 2022 г.). «Интегрированное спектральное зондирование в ближнем инфракрасном диапазоне». Природные коммуникации . 13 (1): 103. Бибкод : 2022NatCo..13..103H. дои : 10.1038/s41467-021-27662-1. ISSN  2041-1723. ПМЦ 8748443 . ПМИД  35013200. 
  18. ^ «Ускорение ИИ со скоростью света». 2 июня 2021 г.
  19. ^ «Этот стартап надеется, что фотоника быстрее приведет нас к системам искусственного интеллекта» . ТехКранч . 12 мая 2022 г.
  20. ^ «Силиконовые фотонные аналоговые механизмы обработки сигналов с возможностью реконфигурации (Si-PhASER) - Возможности федерального бизнеса: Возможности» . Fbo.gov. Архивировано из оригинала 6 мая 2009 года . Проверено 21 декабря 2013 г.
  21. ^ «Центры комплексных инженерных исследований в области фотоники (CIPhER) - Возможности федерального бизнеса: возможности» . Fbo.gov. Архивировано из оригинала 6 мая 2009 года . Проверено 21 декабря 2013 г.
  22. ^ «CEI-28G: прокладывая путь к 100 гигабитам» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2010 года.

Рекомендации