Фотонная интегральная схема

Фотонная интегральная схема

Фотонная интегральная схема

В настоящее время сложные устройства, основу которых составляют полупроводники, создаются на многослойной структуре или кремниевой пластине (или пластине из иного полупроводника). Устройства оптики, выполненные на плоской подложке и служащие для выполнения функций аналогичных функциям, выполняемым электрическими схемами, называют интегральными оптическими схемами.

Замечание 1

На плоской подложке выполняют и иные устройства, например, оптические процессоры для выполнения преобразований Фурье. Для того чтобы подчеркнуть отличие этих устройств от интегральных оптических схем они получили название планарных оптических устройств.

Интегральная оптика рассматривает:

  • интегральные оптические схемы;
  • планарные оптические устройства.

Интегральные оптические схемы

Определение 1

Фотонной интегральной схемой (ФИС) называют многофункциональную оптическую микросхему, которая состоит из большого числа компонент, связанных между собой оптически, расположенных на единой подложке и вместе исполняющих разного вида функции обработки и передачи оптических сигналов. Иначе фотонные интегральные схемы называют оптическими интегральными схемами.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Фотонные интегральные схемы участвуют в развитии оптоволоконной связи. На их основе делают компактные и скоростные оптические системы.

ФИС можно сочетать с электронными схемами с целью уменьшения размеров оптико-электронных систем и устройств.

Кроме того, сложные системы с электронными и оптическими элементами дают возможность избегать преобразования оптического сигнала в электрический и наоборот.

Фотонные интегральные схемы обладают рядом достоинств:

  • Они имеют большее быстродействие (широкую полосу пропускания) в сравнении со схемами из электрических компонент. Данное свойство объясняется большей частотой световой волны и меньшими размерами (меньшими емкостями) элементов фотонных интегральных схем.
  • Маленькая емкость элементов оптических схем позволяет обеспечить быстродействие и ширину полосы модуляции.
  • Небольшие размеры элементов схем дают возможность существенно уменьшить значения напряжений, которые применяются для генерации сильных электрических полей, создающих электрикооптические эффекты или управления пучком света в волноводе.
  • При локализации нескольких устройств, реализующих несколько функций на одной подложке, фотонные интегральные схемы устойчивы и после первой настройки не требуют корректировки далее.

Объединение нескольких разно функциональных устройств вместе уменьшает себестоимость производства схем.

Фотонные интегральные схемы можно разделить на:

Монолитные интегральные схемы

Определение 2

Фотонные интегральные схемы, созданные на единой подложке, называют монолитными.

Чаще всего монолитные интегральные схемы делают на подложке из арсенида галлия. При этом устройства содержат галлий, алюминий, мышьяк, фосфор и другие компоненты, которые определяет рабочая длина волны устройства.

Так, для изготовления лазеров, испускающих излучение с длиной волны, равной $8,5∙10{-7}$м, используют арсенид галлия, который соответствует излучению с длинами волн порядка $9,1∙10{-7}$ м и арсенид алюминия с длинами волн порядка $6,5∙10{-7}$ м. Подбирая концентрации этих веществ (управляя шириной запрещенной зоны), получают соединение, которое излучает световые волны задаваемой длины из диапазона от 6,$5∙10{-7}$м до $9,1∙10{-7}$м.

Галлий и мышьяк находятся в третьем и пятом столбиках системы Д.И. Менделеева. Структуры, которые получают, используя элементы названных столбцов, называют $AIII-BV$ соединениями. Большинство данных соединений размещают совместно на подложке из арсенида галлия.

Например, используя соединение – фосфорид галлия с индием и мышьяком ($GaInAsP$) создают лазеры, со спектром излучения порядка $1,31 \bullet10{-6}$м. Данный диапазон важен в оптической передаче данных.

Арсенид галлия можно применять для испускания и усиления света. Приборы, созданные на основе этих соединений, носят названия активных.

Соединения $AIII-BV$ преимущественно используются для изготовления лазеров, детектеров и других устройств, которые могут быть созданы на одной подложке.

Гибридные интегральные схемы

Подложки, применяемые для изготовления гибридных схем состоят в основном из:

  • стекла;
  • кремния;
  • ниобата лития;
  • иногда полимеров.

Самый высокий электрооптический коэффициент имеет ниобат лития. Кремний часто используют как фотоприемник.

Стекло обладает низкой стоимость и широко распространено, на основе стекла, которое легируют неодимом, изготавливают лазеры.

Сплиттер

Одно из самых распространенных устройств, работающих на базе фотонной интегральной схемы, это сплиттер.

Замечание 2

Сплиттер – оптический разветвитель, устройство, предназначенное для разделения потока энергии, которая передается по оптическому волокну. Это устройство является пассивным, так как для деления мощности не требует электрического питания.

Применение оптического разветвителя осуществило возможность передачи сигнала множеству абонентов, используя один оптоволоконный кабель. Это уменьшило затраты на строительство оптоволоконных линий передач. Что позволило интенсифицировать процесс развития пассивных оптических сетей.

Для производства разветвителей используют две основных технологии: Метод химического осаждения оптического материала на кварцевую поверхность. Технология сплава.

Соответственно получают два типа сплиттеров.

Планарный сплиттер изготавливают, осаждая несколько слоев оптического материала на кварцевую поверхность, после этого вытравливают планарный световод необходимой конфигурации и оптической плотности.

При этом планарный световод локализован между пластинами из оптического материала. Он выступает в центральной роли, поскольку передает оптическую мощность. Создается своеобразная микросхема, образованная пластиной из кварца и оптических материалов.

Она равномерно распределяет оптическую мощность и образует $Y$ — образный сплиттер.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fotonika/fotonnaya_integralnaya_shema/

Кремниевая фотоника: Разработка кремниевых волноводов

Фотонная интегральная схема

Кремниевая фотоника: разработка кремниевых оптических волноводных структур Как-то раз в 1870 году зрители внимательно наблюдали за проведением занимательного опыта: две емкости с водой были установлены одна над другой, а из небольшого отверстия в верхней емкости в нижнее ведро лилась струя воды, изгибаясь. Ко всеобщему удивлению, лучи солнечного света изгибались, следуя за изогнутой струей воды. Позднее данный эффект был назван полным внутренним отражением. Джон Тиндалл, проводивший опыт на сцене, в то время был одним из многих ученых, пытавшихся управлять самой наглядной и видимой формой энергии — светом.

На заре эпохи фотоники

Десятилетиями ученые старались найти способ управлять светом и использовать его для передачи и обработки информации, что дало начало направлению физики, сейчас известному как фотоника. Тогда за эту задачу в основном «отвечали» электроны.

С недавнего времени ученые успешно создают наноразмерные устройства и управляют потоками света благодаря широкому развитию таких технологий производства структур, как фотолитография, молекулярно-лучевая эпитаксия и химическое осаждение из газовой фазы.

Потенциально возможность управлять пучками света (фотонами) позволит и далее «следовать» закону Мура.

Фотонные интегральные схемы

Целью ученых, развивающих фотонику, была разработка аналога электронной микросхемы, который мог бы эффективно выполнять все необходимые вычислительные операции с использованием фотонов, занимая меньше пространства и затрачивая при этом меньше времени.

Таким аналогом стали фотонные интегральные схемы (ФИС), к котором относят большую группу устройств с разными оптическими компонентами, размещенными на единой подложке.

По сути, данный чип может выполнять различные оптические операции: фокусировку, расщепление, развязку, поляризацию, сопряжение, модуляцию и, в конечном счете, измерение или детектирование световых пучков.

Схематическое изображение фотонной интегральной схемы (не в масштабе) с различными оптическими компонентами. Более подробная информация приведена в [1].

В данной заметке нашего корпоративного блога, которая открывает новую серию статей о кремниевой фотонике, мы поговорим про оптические волноводные структуры. В дальнейшем мы обсудим то, как эти оптические компоненты стали неотъемлемой частью ФИС.

Разработка оптических компонентов для фотонных интегральных схем

Разные оптические компоненты, из которых теперь состоит полноценная ФИС, долгое время являлись и до сих пор являются объектом научных исследований.

В качестве источника света можно использовать лазеры (lasers), с помощью которых излучением узкого частотного диапазона можно возбуждать интегральные компоненты оптической схемы.

Что касается оптических волокон (optical fibers), они могут использоваться для переноса света из одной точки в другую (от одной ФИС к другой) на тысячи километров. Самый распространенный компонент ФИС — это оптический волновод (optical waveguide). Он служит для связи/сопряжения разных компонентов на подложке.

Устройства ввода излучения (input couplers) применяются для эффективного ввода света от лазеров или оптических волокон в оптический волновод, расположенный на подложке, а направленные ответвители (directional couplers) — для управления светом и передачи его между двумя параллельными оптическими волноводами. Кольцевой резонатор (ring resonator) выполняет функцию оптического фильтра (он пропускает только свет в узком частотном диапазоне) и служит для связи двух оптических волноводов, работающих в противоположных направлениях.

Пример оптического режекторного фильтра на основе кольцевого резонатора.

Нелинейные эффекты

Некоторые ученые занимаются исследованиями не получивших должного признания нелинейных оптических эффектов для возбуждения гармоник второго и третьего порядка, что может позволить удваивать, вычитать и смешивать частоты двух оптических пучков.

Были также изобретены оптические модуляторы (optical modulators). Эти компоненты позволяют изменять интенсивность света, прикладывая постоянное электрическое напряжение. Их работа основана на нелинейных электрооптических эффектах.

Фотонные кристаллы: управление светом

При периодической укладке материалов с высоким и низким показателем преломления в одном, двух и трех измерениях можно отразить свет определенного частотного диапазона и пропустить свет другого диапазона.

Следовательно, такие материалы с определенной периодической структурой могут служить одновременно и фильтром, и резонатором.

Периодические структуры разных диэлектрических материалов получили название «фотонные кристаллы» (photonic crystals).

Поиск оптимальных оптических материалов

Отдельного внимание заслуживает поиск того, какие материалы оптимально использовать для создания оптических волноводов, передающих световые пучки на ФИС. Одним из перспективных материалов был арсенид галлия (GaAs), который обладает высоким показателем преломления.

Он использовался в качестве сердцевины и был окружен арсенидом алюминия-галлия (AlGaAs) с низким показателем преломления.

Были разработаны и более комплексные решения: например, подложку из ниобата лития легировали титаном, чтобы повысить ее показатель преломления и создать сердцевину для волновода.

Но в итоге разработки сфокусировались на оксиде кремния, который является более доступным, чем любой другой материал. Сам технологический процесс получил название «Кремний на изоляторе» (silicon on insulator — SOI): кремний (Si), показатель преломления которого составляет ~3.

5, встраивают в оксид кремния (SiO2) с более низким показателем преломления ~1.4.

Технологии производства кремния хорошо развиты (благодаря популярности электронных микросхем), а сам кремний, в то же время, совместим с другими КМОП-технологиями, что ускорило развитие кремниевой фотоники.

Различные конфигурации кремниевых волноводов

Принцип работы кремниевого волновода основан на создании разности показателей преломления в сердцевине и оболочке, которая обычно составляет примерно 50%. Изначально для удержания светового пучка использовалось полное внутреннее отражение.

В этом случае пучок остается внутри сердечника с более высоким показателем преломления, окруженного оболочкой с меньшим показателем преломления.

Однако недавние исследования показали, что можно удерживать пучок внутри материала с меньшим показателем преломления, окруженного пластинами с более высоким показателем преломления. Это позволяет в частности снизить потери.

Оптические волноводы на основе высокого показателя преломления

В соответствии с первой технологией пучок удерживается внутри материала с большим показателем преломления: внутренний сердечник (размерами порядка сотен нанометров) создается из материала с высоким показателем преломления (кремний), который окружен оболочкой с меньшим показателем преломления (оксид кремния). Разность показателей преломления должна составлять не менее 50%.

Основная мода сконцентрирована внутри сердечника, что показано на рисунке ниже (слева). Удерживаемая приведенная энергия показана на этом же рисунке справа.

Слева: основная мода для рабочей длины волны 1.55 мкм. Белые и черные стрелки обозначают магнитное и электрическое поля. Справа: плотность приведенной энергии, проходящей через центр волновода.

Оптические волноводы на основе низкого показателя преломления

Это не так очевидно, но энергию можно также удержать внутри материала с низким показателем преломления. Более того, было обнаружено, что можно сконцентрировать больше энергии в равномерном узком зазоре (щели) шириной от 20 до 80 нм, поэтому волноводные структуры на основе материала с низким показателем преломления даже больше подходят для встраивания в фотонные схемы.

Такая конфигурация подразумевает формирование наноразмерной щели с низким показателем преломления между двух пластинок с высоким показателем преломления. Внутри такого зазора удерживается значительное количество энергии.

Слева: Поперечное поле (Ex-компонента) для щели шириной 50 нм. Справа: приведенное поперечное электрическое поле (Ex-компонента) в центре волновода.

Для оценки оптимальной ширини наноразмерной щели для передачи максимальной энергии по волноводу, можно провести параметрическое исследование по параметру ширины, как показано ниже.

Приведенная энергия и интенсивность в щелевом волноводе в зависимости от ширины зазора.

Разработка кремниевых волноводов

На изготовление прототипа оптического волновода и его анализ требуется большое количество ресурсов.

Альтернативный и эффективный подход заключается в использовании численных инструментов, доступных в программном пакете COMSOL Multiphysics®.

С помощью численного моделирования можно быстро создать виртуальный прототип и провести дальнейшие исследования, перед тем как перейти к изготовлению реального физического образца.

С помощью COMSOL Multiphysics мы можем провести модальный анализ (mode analysis) в двумерном поперечном сечении кремниевого волновода как для случая с высоким, так и для случая с низким показателем преломления. В рамках такого исследования будет получен эффективный показатель преломления волновода и профиль основной моды, что позволит оценить распределение приведенной энергии.

В качестве примера также можно выполнить полное 3d-моделирование распространения э/м волн для обоих вариаций оптических волноводов. Возбуждение и съем сигнала задается при этом через граничное условие Port с опцией Numeric (Численный порт).

Использование этого ГУ подразумевает проведение дополнительного исследования Boundary Mode Analysis (подобного модальному анализу в 2d) для определения основной моды численных портов (константы распространения и профиля).

Определив численного фундаментальную моду волновода, можно затем смоделировать распространение волн в волноводе с помощью основного исследования Frequency Domain, некоторые результаты проведения которого показаны на следующих анимациях.

Y-компонента магнитного поля в кремниевом волноводе с высоким показателем преломления длиной 10 мкм.

Y-компонента электрического поля в кремниевом волноводе с низким показателем преломления длиной 10 мкм.

Резюме

Это первая статья из серии, посвященной кремниевой фотонике.

В дальнейшем мы подробно рассмотрим различные оптические компоненты и расскажем о применении пакета COMSOL Multiphysics для моделирования таких устройств (от лазерных резонаторов до фотодетекторов) с помощью метода конечных элементов, а также воздадим дань уважения ряду замечательных ученых, работы которых в настоящее время помогают нам управлять светом.

Следите за публикациями!

Учебные модели

По указанным ниже ссылкам вы можете более подробно познакомиться с некоторыми указанными в статье моделями:

Читайте далее в серии статей о кремниевой фотонике

  • Часть 2. Моделирование оптически анизотропных сред в COMSOL Multiphysics®

Список литературы

  1. B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics.
  2. K. Yamada, «Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications», in Silicon Photonics II, 2011.
  3. V. Almeida, Q. Xu, C. Barrios, and M. Lipson, «Guiding and confining light in void nanostructure», Optics Letters, vol. 29, pp. 1209–1211, 2004.

Источник: https://www.comsol.ru/blogs/silicon-photonics-designing-and-prototyping-silicon-waveguides/

Физики нашли подходящий материал для фотонных интегральных схем

Фотонная интегральная схема

Группа исследователей применила для создания нового типа электроники плазмоны.

На фото: Схема работы нового устройства. Красными полукругами на серебряном штыре показаны фотоны. Иллюстрация Michael Osadciw, Creative Services, University of Rochester

Группа ученых из Университета Рочестера и Швейцарского технологического института разработала схему работы интегральных фотонных схем с помощью одноатомного слоя дисульфида молибдена. Важную роль в работе новой схемы играют плазмоны. Статья ученых появилась в журнале Optica, а ее краткое изложение приводит Университет Рочестера.

Устройство, созданное учеными, представляет собой серебряный наностержень — плазмонный волновод, один конец которого покрыт слоем дисульфида молибдена атомной толщины.

Дисульфид молибдена — это полупроводниковый материал, обладающий свойствами фотолюминисценции и потенциалом в качестве транзистора и фотодетектора.

Причина использования именно атомного слоя сульфида молибдена, то есть двумерного кристалла, аналогичного знаменитому графену, состоит в более эффективной передаче энергии между электронами и фотонами по сравнению с объемным образцом.

Учеными было продемонстрировано, что при возбуждении лазером плазмон-поляритоны на поверхности серебряного стержня слой дисульфида молибдена продемонстрировал сильную фотолюминисценцию. Обратно фотолюминисценция в слое молибдена может быть превращена в плазмон, который, достигнув противоположного конца стержня, будет переотражен в виде фотона.

Далее ученые планируют использовать полученные результаты для создания ближнепольного фотодетектора либо светоизлучающих диодов, связанных с наноплазмонной схемой. Таким образом, данное исследование — это еще один шаг на пути создания новых высокоскоростных устройств передачи информации, квантовых компьютеров.

Фотонная интегральная схема идейно напоминает электронную интегральную схему.

В то время как последняя объединяет множество транзисторов, конденсаторов и резисторов, фотонная интегральная схема объединяет различные оптические компоненты — такие как лазеры, модуляторы, детекторы, аттенюаторы, мультиплексоры, демультиплексоры и оптические усилители.

Фотонная технология передачи обладает рядом преимуществ по сравнению с электронной: большая пропускная способность, скорость передачи, отсутствие потерь на Джоулево тепло и перевод данных из оптических сетей в электронные, а также возможность использовать такие многообещающие технологии, как квантовая криптография.

Вид ультраширокополосного лазерного луча, на выходе из волокна одномодового фотонного кристалла, при отсутствии искажений (белая точка)

Однако существует множество технологических ограничений, которые в настоящий момент делают применение фотонных интегральных схем непрактичным по сравнению с электронными интегральными схемами. Например, оптические компоненты должны быть соединены волноводами, размеры которых не могут быть много меньше длины волны, и которые не могут делать слишком резких поворотов.

Кроме того, оптические соединения являются гораздо более критичными, чем электрические контакты, а компенсация оптических потерь требует применения оптических усилителей, которые более сложны и обладают большими размерами по сравнению с электронными усилителями. Наконец, некоторые типы оптических компонентов невозможно уменьшить. Комбинация двух технологий в единое электрооптическое интегральное устройство, возможно, поможет объединить достоинства и нивелировать недостатки двух технологий.

Одним из многообещающих решений для преодоления вышеописанных недостатков оптических интегральных схем является использование поверхностных плазмон-поляритонов — технологии, позволяющей одновременно конструировать волноводы субволнового размера и проявляющей сильно выраженное взаимодействие света с веществом.

Поверхностный плазмон-поляритон — это поверхностная электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль границы металл-диэлектрик или металл-воздух.

Термин «плазмон-поляритон» отражает тот факт, что в случае, когда электромагнитная волна возникает на поверхности проводника, возникает и ее взаимодействие с электронами проводимости, которые передвигаются по кристаллу, сталкиваясь между собой на фоне положительно заряженных ионов.

Плазмон-поляритон распространяется вдоль поверхности проводника так же, как свет распространяется вдоль волновода, а перпендикулярно поверхности такая поверхностная волна локализировна с субволновым размером. Таким образом, использование поверхностных плазмон-поляритонов может существенно миниатюризировать оптические интегральные схемы.

Источник: http://nmir.net/news/2133-fotonnye-shemy.html

Booksm
Добавить комментарий