Прорыв Intel в области кремниевой фотоники

История кремниевой фотоники

Кремниевые оптические модуляторы

Кремниевый лазер непрерывного действия на эффекте Рамана

Гибридный кремниевый лазер

Будущее кремниевой фотоники

 

18 сентября текущего года компания Intel совместно с Калифорнийским университетом (University of California, Santa Barbara) продемонстрировала первый в мире гибридный кремниевый лазер с электрической накачкой, который объединяет в себе возможности излучения и распространения света по кремниевому волноводу, а также использует преимущества низкой стоимости кремниевого производства. Создание гибридного кремниевого лазера — это очередной шаг на пути к получению кремниевых чипов, содержащих десятки и даже сотни дешевых лазеров, которые в будущем составят основу компьютерной электроники.

История кремниевой фотоники

В научно-исследовательской работе корпорации Intel одним из главных направлений является кремниевая фотоника. Очередным прорывом компании в этой области стало создание первого в мире гибридного кремниевого лазера с электрической накачкой.

Теперь фактически открыт путь для создания оптических усилителей, лазеров и преобразователей длины волны света с использованием хорошо отработанной технологии производства кремниевых микросхем. Постепенно «силиконизация» фотоники становится реальностью и в будущем даст возможность создавать недорогие высокопроизводительные оптические цепи, позволяющие осуществлять обмен данными как внутри, так и снаружи ПК.

Оптические системы связи имеют определенные преимущества по сравнению с традиционными кабельными системами, главным из которых является их огромная пропускная способность. К примеру, используемые сегодня оптические волокна в системах связи могут одновременно передавать до 128 различных потоков данных. Теоретический предел скорости передачи данных по оптоволокну оценивается в 100 трлн бит в секунду. Для того чтобы представить эту громадную цифру, приведем простое сравнение: такой пропускной способности вполне достаточно, чтобы обеспечить передачу телефонных переговоров одновременно всех жителей планеты. Поэтому вполне понятно, что оптические системы связи привлекают к себе пристальное внимание всех научно-исследовательских лабораторий.

Для передачи информации с использованием светового излучения необходимо иметь несколько обязательных компонентов: источники излучения (лазеры), модуляторы световых волн, посредством которых в световую волну закладывается информация, детекторы и оптоволокно для передачи данных.

С помощью нескольких лазеров, излучающих волны различной длины, и модуляторов можно посредством одного оптоволокна передавать одновременно множество потоков данных. На приемной стороне для обработки информации используются оптический демультиплексор, выделяющий из пришедшего сигнала несущие с различной длиной волны, и оптические детекторы, позволяющие преобразовать оптические сигналы в электрические. Структурная схема оптической системы связи показана на рис. 1.

 

Структурная схема оптической системы связи

Структурная схема оптической системы связи

Рис. 1. Структурная схема оптической системы связи

Исследования в области оптических систем связи и оптических цепей начались еще в 1970-х годах — тогда оптические цепи представлялись как некий оптический процессор или супероптический чип, в котором воедино интегрировались и передающее устройство, и модулятор, и усилитель, и детектор, и все необходимые электронные компоненты. Однако практической реализации этой идеи мешало то обстоятельство, что компоненты оптических цепей изготавливались из разных материалов, поэтому интегрировать в единую платформу (чип) на основе кремния все необходимые компоненты было невозможно. Несмотря на триумф кремния в области электроники, его применение в оптике казалось весьма сомнительным.

Изучение возможности использования кремния для оптических цепей ведется на протяжении уже многих лет — со второй половины 1980-х годов. Однако особого прогресса за это время достигнуто не было. По сравнению с другими материалами попытки применения кремния для построения оптических цепей не приносили ожидаемых результатов.

Дело в том, что из-за особенностей структуры запрещенной зоны кристаллической решетки кремния рекомбинация зарядов в нем приводит в основном к тепловыделению, а не к излучению фотонов, что не позволяет применять его для создания полупроводниковых лазеров, являющихся источниками когерентного излучения. В то же время в таких полупроводниках, как арсенид галлия или фосфид индия, энергия рекомбинации высвобождается главным образом в виде инфракрасных фотонов, следовательно, эти материалы могут служить источниками фотонов и использоваться для создания лазеров.

Другая причина, препятствующая применению кремния в качестве материала для создания оптических цепей, заключается в том, что кремний не обладает линейным электрооптическим эффектом Поккельса, на основе которого построены традиционные быстрые оптические модуляторы. Эффект Поккельса заключается в изменении коэффициента преломления света в кристалле под воздействием приложенного электрического поля. Именно за счет этого эффекта можно осуществлять модуляцию света, поскольку изменение коэффициента преломления вещества соответствующим образом приводит к изменению фазы проходящего излучения.

Эффект Поккельса проявляется только у пьезоэлектриков и за счет малой инертности теоретически позволяет осуществлять модуляцию света вплоть до частоты 10 ТГц. Кроме того, вследствие линейной зависимости между показателем преломления и напряженностью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики.

Другие оптические модуляторы основаны на таких эффектах, как электропоглощение (electro-absorption) или электропреломление (electro-refrection) света под воздействием приложенного электрического поля, однако и эти эффекты в кремнии выражены слабо.

Модуляция света в кремнии может быть получена на основе термоэффекта. То есть при изменении температуры кремния меняются его коэффициент преломления и коэффициент поглощения света. Тем не менее из-за наличия гистерезиса такие модуляторы довольно инертны и не позволяют получать скорость модуляции выше нескольких килогерц.

Другой способ модуляции излучения на основе кремниевых модуляторов основан на эффекте поглощения света на свободных носителях (дырках или электронах). Этот способ модуляции также не позволяет получить высоких скоростей, поскольку связан с физическим движением зарядов внутри кремниевого модулятора, что само по себе является инерт-ным процессом. В то же время стоит отметить, что кремниевые модуляторы на основе описанного эффекта теоретически могут поддерживать скорость модуляции вплоть до 1 ГГц, однако на практике пока реализованы модуляторы лишь со скоростью до 20 МГц.

При всех сложностях использования кремния в качестве материала для оптических цепей в последнее время в этом направлении наметились существенные сдвиги. Как выяснилось, легирование кремния эрбием (Er) изменяет структуру запрещенной зоны таким образом, что рекомбинация зарядов сопровождается излучением фотонов, то есть появляется возможность использовать кремний для получения полупроводниковых лазеров. Первый коммерческий лазер на основе легированного кремния был создан компанией ST Micro-elect-ronics. Перспективным также является применение полупроводниковых перестраиваемых лазеров, продемонстрированных компанией Intel еще в 2002 году. Такие лазеры используют в качестве резонатора интерферометр Фабри-Перо и излучают на нескольких частотах (многомодовый режим). Для выделения монохроматического излучения служат специальные внешние фильтры на основе дифракционных решеток (дисперсионные фильтры) — рис. 2.

 

Перестраиваемые лазеры с фильтрами на основе дисперсионных решеток

Рис. 2. Перестраиваемые лазеры с фильтрами
на основе дисперсионных решеток

Получаемая система лазера с внешним дисперсионным резонатором позволяет перестраивать длину волны излучения. Традиционно для получения требуемой длины волны используется прецизионная настройка фильтров относительно резонатора.

В корпорации Intel смогли создать перестраиваемый лазер, в котором вообще отсутствуют подвижные части. Он состоит из недорогого многомодового лазера с решеткой, внедренной внутрь волновода. Изменяя температуру решетки, можно настраиваться на определенную длину волны, то есть осуществлять переключение между отдельными модами лазера.

Кремниевые оптические модуляторы

В феврале 2004 года компания Intel сделала очередной прорыв в области кремниевой фотоники, продемонстрировав первый в мире кремниевый оптический фазовый модулятор на частоте 1 ГГц.

Этот модулятор основан на эффекте рассеивания света на свободных носителях заряда и по своей структуре во многом напоминает CMOS-транзистор на основе технологии SOI (кремний на изоляторе). Структура оптического фазового модулятора показана на рис. 3.

 

Структурная схема оптического кремниевого фазового модулятора

Рис. 3. Структурная схема оптического кремниевого фазового модулятора

На подложке кристаллического кремния со слоем изолятора (диоксида кремния) располагается слой кристаллического кремния n-типа. Далее следует слой диоксида кремния, в центре которого располагается слой поликристаллического кремния p-типа, который выполняет функцию волновода. Этот слой отделен от кристаллического кремния n-типа тончайшим слоем изолятора (диэлектрик затвора), толщина которого составляет всего 120 ангстрем. Для того чтобы минимизировать рассеивание света за счет контакта с металлом, металлические контакты отделены от слоя оксида кремния тонким слоем поликристаллического кремния с обеих сторон от волновода.

Когда к управляющему электроду прилагается положительное напряжение, по обеим сторонам диэлектрика затвора индуцируется заряд, причем со стороны волновода (поликристаллический кремний p-типа) это дырки, а со стороны кремния n-типа — свободные электроны.

В присутствии свободных зарядов в кремнии изменяется коэффициент преломления кремния. Изменение коэффициента преломления вызывает, в свою очередь, фазовый сдвиг проходящей световой волны.

Рассмотренный выше модулятор позволяет производить именно фазовую модуляцию опорного сигнала. Для того чтобы превратить фазовую модуляцию в амплитудную (сигнал, модулированный по фазе, трудно детектировать в отсутствие опорного сигнала), в оптическом модуляторе дополнительно используется интерферометр Маха-Зендера (MZI), имеющий два плеча, в каждом из которых интегрирован фазовый оптический модулятор (рис. 4).

 

Структурная схема оптического модулятора

Рис. 4. Структурная схема оптического модулятора

Применение фазовых оптических модуляторов в обоих плечах интерферометра позволяет обеспечить равенство оптических длин плечей интерферометров.

Опорная световая волна, распространяющаяся по оптоволокну, разделяется с помощью Y-разветвителя на две когерентные волны, каждая из которых распространяется по одному из плечей интерферометра. Если в точке соединения плечей интерферометра обе волны синфазны, то в результате сложения этих волн получится та же волна (потерями в данном случае пренебрегаем), что и до интерферометра (конструктивная интерференция). Если же волны складываются в противофазе (деструктивная интерференция), то результирующий сигнал будет иметь нулевую амплитуду.

Такой подход позволяет осуществлять амплитудную модуляцию несущего сигнала — прикладывая напряжение к одному из фазовых модуляторов, фазу волны в одном из плечей интерферометра меняют на n или не меняют вовсе, обеспечивая тем самым условие для деструктивной или конструктивной интерференции. Таким образом, прикладывая напряжение к фазовому модулятору с частотой f, можно осуществлять амплитудную модуляцию сигнала с той же самой частотой f.

Как уже отмечалось, кремниевый оптический модулятор компании Intel, продемонстрированный в феврале 2004 года, был способен модулировать излучение на скорости 1 ГГц. Впоследствии, в апреле 2005 года, компания Intel продемонстрировала модулятор, функционирующий уже на частоте 10 ГГц.

Кремниевый лазер непрерывного действия на эффекте Рамана

В феврале 2005 года компания Intel объявила об очередном технологическом прорыве — создании кремниевого лазера непрерывного действия на эффекте Рамана.

Эффект Рамана используется уже достаточно давно и находит широкое применение для создания усилителей света и лазеров на основе оптического волокна.

Принцип действия подобных устройств за-ключается в следующем. Лазерное излучение (излучение накачки) с длиной волны заводится в оптическое волокно (рис. 5). В оптическом волокне фотоны поглощаются атомами кристаллической решетки, которые в результате начинают «раскачиваться» (образуются колебательные фононы), а кроме того, образуются фотоны с меньшей энергией. То есть поглощение каждого фотона с длиной волны l=1,55 mm приводит к образованию фонона и фотона с длиной волны l=1,63 mm.

 

Принцип действия усилителя света за счет эффекта Рамана

Рис. 5. Принцип действия усилителя света за счет эффекта Рамана

Теперь представим, что существует также модулированное излучение, которое заводится в то же самое волокно, что и излучение накачки, и приводит к индуцированному излучению фотонов. В результате излучение накачки в таком волокне постепенно преобразуется в сигнальное, модулированное, усиленное излучение, то есть достигается эффект оптического усиления (рис. 6).

 

Использование эффекта Рамана для усиления модулированного излучения в оптическом волокне

Рис. 6. Использование эффекта Рамана для усиления
модулированного излучения в оптическом волокне

Проблема, однако, заключается в том, что для подобного преобразования пучка накачки в сигнальное излучение и соответственно усиления сигнального излучения требуется, чтобы и сигнальное излучение, и излучение накачки прошли по оптоволокну несколько километров. Безусловно, схемы усиления на основе многокилометрового оптоволокна нельзя назвать простыми и дешевыми, вследствие чего применение их существенно ограничено.

В отличие от стекла, которое составляет основу оптоволокна, эффект Рамана в кремнии выражен в 10 тыс. раз сильнее, и для достижения того же результата, что и в оптоволокне, достаточно, чтобы излучение накачки и сигнальное излучение распространялись вместе всего на расстояние в несколько сантиметров. Таким образом, использование эффекта Рамана в кремнии позволяет создавать миниатюрные и дешевые усилители света или оптические лазеры.

Процесс создания кремниевого оптического усилителя, или лазера на эффекте Рамана, начинается с создания оптического кремниевого волновода. Этот технологический процесс ничем не отличается от процесса создания традиционных CMOS-микросхем с применением кремниевых подложек, что, конечно же, является огромным преимуществом, поскольку значительно удешевляет сам процесс производства.

Излучение, заводимое в такой кремниевый волновод, проходит всего несколько сантиметров, после чего (вследствие эффекта Рамана) полностью преобразуется в сигнальное излучение с большей длиной волны.

В ходе экспериментов выяснилось, что мощность излучения накачки целесообразно увеличивать только до определенного предела, поскольку дальнейшее увеличение мощности приводит не к усилению сигнального излучения, а, наоборот, к его ослаблению. Причиной этого эффекта является так называемое двухфотонное поглощение, смысл которого заключается в следующем. Кремний — оптически прозрачное вещество для инфракрасного излучения, поскольку энергия фотонов инфракрасного излучения меньше ширины запрещенной зоны кремния и ее не хватает для перевода атомов кремния в возбужденное состояние с высвобождением электрона. Однако если плотность фотонов велика, то может возникнуть ситуация, когда одновременно два фотона сталкиваются с атомом кремния. В этом случае их суммарной энергии достаточно для перевода атома с высвобождением электрона, то есть атом переходит в возбужденное состояние с поглощением одновременно двух фотонов. Такой процесс называется двухфотонным поглощением.

Свободные электроны, образующиеся в результате двухфотонного поглощения, в свою очередь, поглощают как излучение накачки, так и сигнальное излучение, что приводит к сильному ослаблению эффекта оптического усиления. Соответственно чем выше мощность излучения накачки, тем сильнее проявляется эффект двухфотонного поглощения и поглощения излучения на свободных электронах. Негативное последствие двухфотонного поглощения света длительное время не позволяло создать кремниевый лазер непрерывного действия.

В кремниевом лазере, созданном в лаборатории Intel, впервые удалось избежать эффекта двухфотонного поглощения излучения, точнее не самого явления двухфотонного поглощения, а его негативного последствия — поглощения излучения на образующихся свободных электронах. Кремниевый лазер представляет собой так называемую PIN-структуру (P-type — Intrinsic — N-type) (рис. 7). В такой структуре кремниевый волновод встраивается внутрь полупроводниковой структуры с P- и N-областью. Такая структура подобна схеме планарного транзистора со стоком и истоком, а вместо затвора интегрируется кремниевый волновод. Сам кремниевый волновод образуется как прямоугольная в поперечном сечении область кремния (коэффициент преломления 3,6), окруженная оболочкой из оксида кремния (коэффициент преломления 1,5). Благодаря такой разнице в коэффициентах преломления кристаллического кремния и оксида кремния удается сформировать оптический волновод и избежать потерь излучения за счет поперченного распространения.

 

PIN-cтруктура кремниевого лазера непрерывного действия

Рис. 7. PIN-cтруктура кремниевого лазера непрерывного действия

Используя такую волновую структуру и лазер накачки мощностью в доли ватта, удается создать излучение в волноводе с плотностью порядка 25 MВт/см2, что даже больше плотности излучения, которую можно получить с помощью мощных полупроводниковых лазеров. Рамановское усиление при такой плотности излучения не слишком велико (порядка нескольких децибел на сантиметр), однако этой плотности вполне достаточно для реализации лазера.

Для того чтобы устранить негативное последствие поглощения излучения на свободных электронах, образующихся в волноводе в результате двухфотонного поглощения, кремниевый волновод размещается между двумя затворами. Если между этими затворами создать разность потенциалов, то под воздействием электрического поля свободные электроны и дырки будут «вытягиваться» из кремниевого волновода, устраняя тем самым негативные последствия двухфотонного поглощения.

Для того чтобы на базе данной PIN-структуры сформировать лазер, необходимо в торцы волновода добавить два зеркала, одно из которых должно быть полупрозрачным (рис. 8).

 

Схема кремниевого лазера непрерывного действия

Рис. 8. Схема кремниевого лазера непрерывного действия

Гибридный кремниевый лазер

Кремниевый лазер непрерывного действия на основе эффекта Рамана в основе своей предполагает наличие внешнего источника излучения, которое используется в качестве излучения накачки. В этом смысле данный лазер не решает одну из главных задач кремниевой фотоники — возможности интегрировать все конструктивные блоки (источники излучения, фильтры, модуляторы, демодуляторы, волноводы и т.д.) в единый кремниевый чип.

Более того, использование внешних источников оптического излучения (расположенных вне чипа или даже на его поверхности) требует очень высокой точности юстировки лазера относительно кремниевого волновода, поскольку разъюстировка в несколько микрон может привести к неработоспособности всего уст-ройства (рис. 9). Требование прецизионной юстировки не позволяет вывести данный класс устройств на массовый рынок и делает их достаточно дорогими. Поэтому выравнивание кремниевого лазера относительно кремниевого волновода является одной из важнейших задач кремниевой фотоники.

 

При использовании внешних лазеров требуется прецизионная юстировка лазера и волновода

Рис. 9. При использовании внешних лазеров требуется прецизионная юстировка лазера
и волновода

Данная задача может быть решена в случае, если лазер и волновод создаются в одном кристалле в рамках одного технологического процесса. Именно поэтому создание гибридного кремниевого лазера можно рассматривать как выход кремниевой фотоники на новой уровень.

Принцип действия такого гибридного лазера довольно прост и основан на излучающих свойствах фосфида индия (InP) и способности кремния проводить свет.

Структура гибридного лазера показана на рис. 10. Фосфид индия, выполняющий функцию активного вещества полупроводникового лазера, расположен непо-средственно над кремниевым волноводом и отделен от него тончайшим слоем диэлектрика (его толщина составляет всего 25 атомных слоев) — оксида кремния, который является «прозрачным» для генерируемого излучения. При приложении напряжения между электродами возникает поток электронов по направлению от отрицательных электродов к положительному. В результате через кристаллическую структуру фосфида индия проходит электрический ток. При прохождении электрического тока через фосфид индия в результате процесса рекомбинации дырок и электронов возникают фотоны, то есть излучение. Это излучение непосредственно попадает в кремниевый волновод.

 

Структура гибридного кремниевого лазера

Рис. 10. Структура гибридного кремниевого лазера

Описанная структура кремниевого лазера не требует дополнительной юстировки лазера относительно кремниевого волновода, поскольку их взаимное расположение друг относительно друга реализуется и контролируется непосредственно в ходе формирования монолитной структуры гибридного лазера.

Процесс производства такого гибридного лазера разбит на несколько основных этапов. Первоначально в «бутерброде», состоящем из слоя кремния, слоя изолятора (оксид кремния) и еще одного слоя кремния, путем травления формируется волноводная структура (рис. 11), причем данный технологический этап производства не отличается от тех процессов, которые используются в ходе производства микросхем.

 

Формирование волноводной структуры в кремнии

Рис. 11. Формирование волноводной структуры в кремнии

Далее, на поверхности волновода необходимо сформировать кристаллическую структуру фосфида индия. Вместо того чтобы использовать технологически сложный процесс выращивания кристаллической структуры фосфида индия на уже сформированной структуре волновода, подложку из фосфида индия вместе со слоем полупроводника n-типа формируют отдельно, что значительно проще и дешевле. Задача заключается в том, чтобы соединить фосфид индия со структурой волновода.

Для этого и структуру кремниевых волноводов, и подложку фосфида индия подвергают процессу окисления в низкотемпературной кислородной плазме. В результате такого окисления на поверхности обоих материалов создается пленка оксида толщиной всего 25 атомных слоев (рис. 12).

 

Подложка фосфида индия с сформированным слоем оксида

Рис. 12. Подложка фосфида индия
с сформированным слоем оксида

При нагревании и прижимании друг к другу двух материалов слой оксида выполняет функции прозрачного клея, обеспечивая их сплавление в единый кристалл (рис. 13).

 

«Склеивание» структуры кремниевых волноводов с подложкой фосфида индия

Рис. 13. «Склеивание» структуры кремниевых волноводов
с подложкой фосфида индия

Именно из-за того, что кремниевый лазер описанной конструкции состоит из двух склеенных друг с другом материалов, его и называют гибридным. После процесса склеивания путем травления удаляют лишнюю часть фосфида индия и формируют металлические контакты.

Технологический процесс производства гибридных кремниевых лазеров позволяет размещать на одной микросхеме десятки и даже сотни лазеров (рис. 14).

 

Схема чипа, содержащего четыре гибридных кремниевых лазера

Рис. 14. Схема чипа, содержащего четыре
гибридных кремниевых лазера

Первый чип, продемонстрированный компанией Intel совместно с Калифорнийским университетом, содержал в себе семь гибридных кремниевых лазеров (рис. 15).

 

Излучение семи гибридных кремниевых лазеров, выполненных на одном чипе

Рис. 15. Излучение семи гибридных кремниевых лазеров,
выполненных на одном чипе

Эти гибридные лазеры функционируют на длине волны 1577 нм при пороговом токе 65 мA с мощностью излучения до 1,8 мВт.

В настоящее время гибридный кремниевый лазер работоспособен при температуре менее 40 °С, однако в будущем рабочую температуру планируется повысить до 70 °С, а значение порогового тока уменьшить до 20 мА.

Будущее кремниевой фотоники

Создание гибридного кремниевого лазера может иметь далеко идущие последствия для кремниевой фотоники и послужить отправной точкой для наступления эры высокопроизводительных вычислений.

В недалеком будущем в чип будут интегрироваться десятки кремниевых лазеров, модуляторов и мультиплексор, что позволит создавать оптические каналы связи с терабитной пропускной способностью (рис. 16).

 

Микросхема оптического канала связи, содержащая в себе десятки кремниевых лазеров, фильтры, модуляторы и мультиплексор

Рис. 16. Микросхема оптического канала связи,
содержащая в себе десятки кремниевых лазеров,
фильтры, модуляторы и мультиплексор

«Благодаря этой разработке мы сможем создавать недорогие оптические шины данных с терабитной пропускной способностью для компьютеров будущего. Тем самым мы сможем приблизить наступление новой эры высокопроизводительных вычислений, — отметил Марио Паниччиа (Mario Paniccia), директор лаборатории Photonics Technology Lab в корпорации Intel. — Несмотря на то что до начала коммерческого использования этой технологии еще очень далеко, мы уверены, что на одной кремниевой микросхеме можно будет разместить десятки и даже сотни гибридных кремниевых лазеров, а также других компонентов на базе кремниевой фотоники».

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 11'2006