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 электронными интегральными схемами . Основное различие между ними заключается в том, что фотонная интегральная схема обеспечивает функции для информационных сигналов, наложенных на оптические длины волн, как правило, в видимом спектре или ближнем инфракрасном (850–1650 нм).

Одной из наиболее коммерчески используемых материальных платформ для фотонных интегральных схем является фосфид индия (InP), который позволяет интегрировать различные оптически активные и пассивные функции на одном чипе. Первоначальными примерами фотонных интегральных схем были простые 2-секционные распределенные брэгговские отражатели (DBR), состоящие из двух независимо управляемых секций устройства — секции усиления и секции зеркала DBR. Следовательно, все современные монолитные перестраиваемые лазеры, широко перестраиваемые лазеры, внешне модулированные лазеры и передатчики, интегрированные приемники и т. д. являются примерами фотонных интегральных схем. По состоянию на 2012 год устройства интегрируют сотни функций на одном чипе. [1] Новаторская работа в этой области была выполнена в Bell Laboratories. Наиболее заметными академическими центрами передового опыта 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 непрямозонным материалом, может по-прежнему использоваться для генерации лазерного света посредством рамановской нелинейности. Такие лазеры управляются не электрическим, а оптическим способом, и поэтому по-прежнему требуют дополнительного источника оптического лазера 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 и как электромагнитная волна, и как 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 общепринятым для описания применения света для замены приложений, ранее достигавшихся с помощью электроники.

К 1980-м годам фотоника набрала обороты благодаря своей роли в волоконно-оптической связи. В начале десятилетия ассистент новой исследовательской группы в Делфтском технологическом университете Мейнт Смит начал пионерские исследования в области интегрированной фотоники. Ему приписывают изобретение решетки волноводов Arrayed Waveguide Grating (AWG) , основного компонента современных цифровых соединений для Интернета и телефонов. Смит получил несколько наград, включая грант ERC Advanced Grant, премию Rank Prize for Optoelectronics и премию LEOS Technical Achievement Award. [3]

В октябре 2022 года во время эксперимента, проведенного в Техническом университете Дании в Копенгагене , фотонный чип передал 1,84 петабита данных в секунду по оптоволоконному кабелю длиной более 7,9 километров. Сначала поток данных был разделен на 37 секций, каждая из которых была отправлена ​​по отдельному сердечнику оптоволоконного кабеля. Затем каждый из этих каналов был разделен на 223 части, соответствующие равноудаленным всплескам света по всему спектру. [4]

Сравнение с электронной интеграцией

В отличие от электронной интеграции, где кремний является доминирующим материалом, системные фотонные интегральные схемы были изготовлены из различных материальных систем, включая электрооптические кристаллы, такие как ниобат лития , кремний на кремнии, кремний на изоляторе , различные полимеры и полупроводниковые материалы, которые используются для изготовления полупроводниковых лазеров, таких как GaAs и InP . Различные материальные системы используются, поскольку каждая из них обеспечивает различные преимущества и ограничения в зависимости от функции, которая должна быть интегрирована. Например, PIC на основе кремния (диоксида кремния) имеют очень желаемые свойства 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 прямую интеграцию источников света, а PIC на основе кремния позволяют коинтегрировать фотонику с электроникой на основе транзисторов. [5]

Методы изготовления аналогичны тем, которые используются в электронных интегральных схемах, в которых фотолитография используется для формирования пластин для травления и осаждения материала. В отличие от электроники, где основным устройством является транзистор , здесь нет одного доминирующего устройства. Диапазон устройств, требуемых на чипе, включает в себя волноводы с низкими потерями , разветвители мощности, оптические усилители , оптические модуляторы , фильтры, лазеры и детекторы. Эти устройства требуют множества различных материалов и методов изготовления, что затрудняет реализацию их всех на одном чипе. [ необходима цитата ]

Новые технологии, использующие резонансную фотонную интерферометрию, открывают путь для использования УФ-светодиодов в оптических вычислительных системах с гораздо более низкой стоимостью, открывая путь к потребительской электронике петагерцового диапазона. [ необходима цитата ]

Примеры фотонных интегральных схем

Основное применение фотонных интегральных схем — это область волоконно-оптической связи, хотя возможны также применения в других областях, таких как биомедицина [6] и фотонные вычисления .

Решетки волноводов (AWG), которые обычно используются в качестве оптических (де)мультиплексоров в системах связи с разделением по длине волны (WDM) на оптоволоконных кабелях, являются примером фотонной интегральной схемы, которая заменила предыдущие схемы мультиплексирования, в которых использовались 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 фотонно-интегрированной микросхемы, широко используемой сегодня в волоконно-оптических системах связи, является внешне модулированный лазер (EML), который объединяет распределенный лазерный диод с обратной связью и электроабсорбционный модулятор [7] на одной микросхеме 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 беспилотных транспортных средствах . [8] Необходимо идти в ногу с технологическими вызовами.

Расширение сетей передачи данных и центров обработки данных 5G , более безопасных автономных транспортных средств и более эффективного производства продуктов питания не может быть устойчиво удовлетворено только за счет технологии электронных микрочипов. Однако объединение электрических устройств с интегрированной 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 для PIC находится в области волоконно-оптической связи . Решетка волноводного массива (AWG), которая обычно используется в качестве оптических (де)мультиплексоров в системах волоконно-оптической связи с мультиплексированием по длине волны (WDM), является примером фотонной интегральной схемы. [9] Другим примером в системах волоконно-оптической связи является внешне модулированный лазер (EML), который объединяет лазерный диод с распределенной обратной связью и электроабсорбционный модулятор .

PIC также могут увеличить пропускную способность и скорость передачи данных за счет развертывания маломодовых оптических планарных волноводов. Особенно, если моды можно легко преобразовать из обычных одномодовых планарных волноводов в маломодовые волноводы и выборочно возбуждать желаемые моды. Например, двунаправленный пространственный модовый слайсер и объединитель [10] можно использовать для достижения желаемых мод более высокого или более низкого порядка. Его принцип работы зависит от каскадных стадий V-образных и/или M-образных градиентных планарных волноводов.

PIC не только могут увеличить пропускную способность и скорость передачи данных, но и снизить потребление энергии 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 дверь к технологии «лаборатория на чипе» (LOC) , сокращая время ожидания и перенося диагностику из лабораторий в руки врачей и пациентов. Основанная на сверхчувствительном фотонном биосенсоре диагностическая платформа SurfiX Diagnostics обеспечивает множество тестов на месте оказания медицинской помощи. [12] Аналогичным образом, Amazec Photonics разработала технологию волоконно-оптического зондирования с фотонными чипами, которая позволяет измерять температуру с высоким разрешением (доли 0,1 милликельвина) без необходимости вводить температурный датчик в тело. [13] Таким образом, медицинские специалисты могут измерять как сердечный выброс, так и объем циркулирующей крови извне тела. Другим примером технологии оптических датчиков является устройство «OptiGrip» от EFI, которое обеспечивает больший контроль над ощущением тканей для минимально инвазивной хирургии.

Автомобильные и инженерные приложения

PIC могут применяться в сенсорных системах, таких как Lidar (что означает обнаружение и определение дальности света), для мониторинга окрестностей транспортных средств. [14] Его также можно развернуть в автомобиле через подключение Li-Fi , которое похоже на WiFi, но использует свет. Эта технология облегчает связь между транспортными средствами и городской инфраструктурой для повышения безопасности водителя. Например, некоторые современные транспортные средства распознают дорожные знаки и напоминают водителю об ограничении скорости.

С точки зрения техники, оптоволоконные датчики могут использоваться для обнаружения различных величин, таких как давление, температура, вибрации, ускорения и механическая деформация. [15] Сенсорная технология PhotonFirst использует интегрированную фотонику для измерения таких вещей, как изменение формы самолетов, температура аккумулятора электромобиля и деформация инфраструктуры.

Сельское хозяйство и продовольствие

Датчики играют роль в инновациях в сельском хозяйстве и пищевой промышленности, чтобы сократить отходы и обнаружить заболевания. [16] Технология светочувствительности, работающая на основе ФИК, может измерять переменные за пределами диапазона человеческого глаза, позволяя цепочке поставок продовольствия обнаруживать заболевания, зрелость и питательные вещества во фруктах и ​​растениях. Она также может помочь производителям продуктов питания определять качество почвы и рост растений, а также измерять выбросы CO2 . Новый миниатюрный датчик ближнего инфракрасного диапазона, разработанный MantiSpectra, достаточно мал, чтобы поместиться в смартфон, и может использоваться для анализа химических соединений в таких продуктах, как молоко и пластик. [17]

Виды изготовления и материалы

Технологии изготовления аналогичны тем, которые используются в электронных интегральных схемах, где фотолитография применяется для создания шаблонов пластин 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 объединяет высокоплотные фотонные интегральные схемы (PIC) с комплементарным металл-оксид-полупроводниковым (CMOS) производством электроники. Наиболее технологически зрелой и коммерчески используемой платформой является кремний на изоляторе (SOI).

Другие платформы включают:

Объединяя и настраивая различные типы чипов (включая существующие электронные чипы) в гибридной или гетерогенной интеграции , можно использовать сильные стороны каждого из них. Принятие этого взаимодополняющего подхода к интеграции отвечает спросу на все более сложные энергоэффективные решения.

Текущий статус

По состоянию на 2010 год фотонная интеграция была активной темой в контрактах по обороне США. [18] [19] Она была включена Форумом по оптической межсетевой работе в стандарты оптических сетей 100 гигагерц. [20]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Ларри Колдрен; Скотт Корзин; Милан Машанович (2012). Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы (второе издание). John Wiley and Sons. ISBN 9781118148181.
  2. ^ Ронг, Хайшэн; Джонс, Ричард; Лю, Аньшэн; Коэн, Одед; Хак, Дани; Фанг, Александр; Паничча, Марио (февраль 2005 г.). «Кремниевый лазер непрерывного действия Raman». Nature . 433 (7027): 725–728. Bibcode :2005Natur.433..725R. doi : 10.1038/nature03346 . PMID  15716948. S2CID  4429297.
  3. ^ "Meint Smit Named 2022 John Tyndall Award Recipient". Optica (ранее OSA) . 23 ноября 2021 г. Получено 20 сентября 2022 г.
  4. ^ «Чип может передавать весь трафик интернета каждую секунду». 20 октября 2022 г. doi :10.1038/s41566-022-01082-z. S2CID  253055705 . Получено 28 октября 2022 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ Нарасимха, Адитьярам; Аналуи, Бехнам; Балматер, Эрвин; Кларк, Аарон; Гал, Томас; Гукенбергер, Дрю; и др. (2008). "Оптоэлектронный трансивер QSFP 40-Gb/S в технологии 0,13 мкм КМОП-структуры "кремний на изоляторе"". Конференция OFC/NFOEC 2008 - 2008 по волоконно-оптической связи/Национальная конференция инженеров по волоконной оптике . стр. OMK7. doi :10.1109/OFC.2008.4528356. ISBN 978-1-55752-856-8. S2CID  43850036.
  6. ^ Ранк, Элизабет А.; Сентоза, Райан; Харпер, Даниэль Дж.; Салас, Маттиас; Гаугутц, Анна; Сейрингер, Дана; Невлаксил, 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 массивных волноводных решеток на основе фотонных интегральных схем». Light Sci Appl . 10 (6): 6. Bibcode : 2021LSA....10....6R. doi : 10.1038/s41377-020-00450-0. PMC 7785745. PMID  33402664 . 
  7. ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Электроабсорбционные модуляторы». www.rp-photonics.com .
  8. ^ PhotonDelta & AIM Photonics (2020). "Обзор IPSR-I 2020" (PDF) . IPSR-I : 8, 12, 14.
  9. ^ Inside Telecom Staff (30 июля 2022 г.). «Как фотонные чипы могут помочь создать устойчивую цифровую инфраструктуру?». Inside Telecom . Получено 20 сентября 2022 г. .
  10. ^ Авад, Эхаб (октябрь 2018 г.). «Двунаправленное разделение мод и повторное объединение для преобразования мод в планарных волноводах». IEEE Access . 6 (1): 55937. doi : 10.1109/ACCESS.2018.2873278 . S2CID  53043619.
  11. ^ Вердеккья, Р., Лаго, П. и де Врис, К. (2021). Ландшафт технологии LEAP: решения программы ускорения с более низкой энергией (LEAP), факторы принятия, препятствия, открытые проблемы и сценарии.
  12. ↑ Боксмир, Адри (1 апреля 2022 г.). «Фотоника может быть использована в целях безопасности и в рабочем состоянии». 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) . PhotonDelta . Получено 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 для решения проблемы продовольственной безопасности». Food Navigator . Получено 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. ^ "Кремниевые фотонные аналоговые сигнальные процессоры с возможностью реконфигурации (Si-PhASER) - Возможности для федерального бизнеса: Возможности". Fbo.gov. Архивировано из оригинала 6 мая 2009 г. Получено 21 декабря 2013 г.
  19. ^ "Центры исследований в области комплексной фотоники (CIPhER) - Возможности федерального бизнеса: Возможности". Fbo.gov. Архивировано из оригинала 6 мая 2009 г. Получено 21 декабря 2013 г.
  20. ^ "CEI-28G: прокладывая путь к 100 гигабитам" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2010 г.

Ссылки