Триумф кремниевой фотоники
На прошедшем 17-19 февраля весеннем Форуме компании Intel для разработчиков IDF Spring 2004 (Intel Developer Forum) большое внимание было уделено достижениям корпорации в области кремниевой фотоники. Сенсацией форума стала первая публичная демонстрация кремниевого оптического модулятора со скоростью модуляции 1 ГГц.
нулевой день форума, 16 февраля, доктор Кевин Кэн (Kevin Kahn), директор Communications
Technology Lab, и доктор Марио Паникия (Mario Paniccia), директор Photonics
Research Lab, рассказали о достижениях компании Intel в области кремниевой фотоники
и провели первую публичную демонстрацию кремниевого оптического модулятора на
частоте 1 ГГц, что, безусловно, стало первой сенсацией форума.
Использование оптических систем связи имеет определенные преимущества по сравнению с традиционными кабельными системами. Главным преимуществом оптических систем является их огромная пропускная способность. К примеру, используемые сегодня оптические волокна в системах связи могут одновременно передавать до 128 различных потоков данных, причем те или иные потоки соответствуют конкретным частотным каналам оптоволокна. Теоретический предел скорости передачи данных по оптоволокну оценивается в 100 трлн. бит/с. Для того чтобы осмыслить 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, и оптоволокно для передачи данных, закодированных в световой волне. С помощью нескольких лазеров, излучающих различные длины волн, и нескольких 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.
Рис. 1. Структурная схема оптической системы связи
Разработки в области оптических систем связи и оптических цепей имеют давнюю историю. Все начиналось еще в далеких 70-х годах. Тогда оптические цепи виделись как реализация некоего оптического процессора или супероптического чипа, 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 различные компоненты оптических цепей изготавливались из различных материалов, поэтому интегрировать в единую платформу (в единый чип) на основе кремния все необходимые компоненты было невозможно. Несмотря на триумф кремния в области электроники, его использование в оптике казалось весьма сомнительным. Но все меняется, и в последнее время кремнием стали активно интересоваться именно как материалом для оптических цепей. В частности, в исследовательской лаборатории корпорации Intel был создан первый кремниевый оптический модулятор, функционирующий на частоте 1 ГГц.
Изучение возможности использования кремния для оптических цепей ведется на протяжении уже многих лет — со второй половины 80-х годов. Однако особого прогресса за это время достигнуто не было. По сравнению с другими материалами попытки использования кремния для построения оптических цепей не приносили ожидаемых результатов.
Это было вызвано прежде всего двумя причинами. Во-первых, 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 использовать 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.
Во-вторых, 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 в таких веществах, как, например, ниобат лития (LiNbO3 ), возможно 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 частот 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 световой волны 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 достаточно 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 инертным 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.
Несмотря на все сложности использования кремния в качестве материала для оптических цепей, в последнее время наметились существенные сдвиги в этом направлении. Как выяснилось, легирование кремния эрбием (Er) позволяет таким образом изменить структуру запрещенной зоны, что рекомбинация зарядов будет сопровождаться излучением фотонов, то есть кремний можно использовать для создания полупроводниковых лазеров. Так, относительно недавно компания ST Microelectronics объявила о создании первого коммерческого лазера на основе кремния. Кроме того, перспективным является применение полупроводниковых перестраиваемых лазеров, продемонстрированных компанией Intel еще в 2002 году. Такие лазеры, использующие в качестве резонатора интерферометр Фабри-Перо, излучают на нескольких частотах (многомодовый режим). Для выделения монохроматического излучения служат специальные внешние фильтры на основе дифракционных решеток (дисперсионные фильтры). 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.
Если же добавить к этому созданный в лаборатории Intel кремниевый сверхскоростной оптический модулятор, то становится понятным, что идея создания оптического процессора вновь замаячила на горизонте.
Итак, что же представляет собой кремниевый оптический фазовый модулятор компании Intel.
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. 2.
Рис. 2. Структурная схема оптического кремниевого фазового модулятора
На подложке кристаллического кремния со слоем изолятора (диоксида кремния) располагается слой кристаллического кремния n-типа толщиной 1,4 мкм. Далее следует слой диоксида кремния толщиной 0,9 мкм, в центре которого располагается слой поликристаллического кремния p-типа толщиной 0,9 мкм и шириной 2,5 мкм, который выполняет функцию волновода. Этот слой отделен от кристаллического кремния n-типа тончайшим слоем изолятора (диэлектрик затвора), толщиной 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 шириной 10,5 мкм с обеих сторон от волновода.
Когда к управляющему электроду прикладывается 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. Концентрация индуцированных под воздействием поля дырок и электронов одинакова и прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна толщине слоя диэлектрика затвора:
,
где tox — толщина слоя диэлектрика затвора, t » 10 нм — толщина слоя индуцированного заряда, а VFB = 1,25 B — пороговое напряжение.
В присутствии свободных зарядов в кремнии изменяется коэффициент преломления кремния. Причем изменение коэффициента преломления при прохождении света с длиной волны 1,55 мкм (инфракрасное излучение, прозрачное для кремния), вызванное избыточной концентрацией дырок и электронов, различное и описывается следующими формулами (концентрация дырок и электронов выражается в см3 ):
Изменение коэффициента преломления вызывает, в свою очередь, фазовый сдвиг проходящей световой волны:
,
где L — длина активной части оптического модулятора, 
— длина волны света, 
—
эффективное изменение коэффициента преломления кремния, которое определяется
как разность коэффициентов преломления до и после накопления заряда.
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), состоящий из двух плеч, в каждом из которых интегрирован фазовый оптический модулятор (рис. 3).
Рис. 3. Структурная схема оптического модулятора
Использование фазовых оптических модуляторов в обоих плечах интерферометра позволяет обеспечить равенство оптических длин плеч интерферометров.
Опорная световая волна, распространяющаяся по оптоволокну, разделяется с помощью Y-разветвителя на две когерентные волны, каждая из которых распространяется по одному из плеч интерферометра. Если в точке соединения плеч 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 плеч интерферометра меняют на p или не меняют вовсе, обеспечивая тем самым условие для деструктивной или конструктивной интерференции. Экспериментальный график зависимости фазового сдвига от прикладываемого напряжения для различных активных длин фазового модулятора показан на рис. 4.
Рис. 4. Экспериментальный график зависимости фазового сдвига от прикладываемого напряжения для различных активных длин фазового модулятора
Таким образом, прикладывая напряжение к фазовому модулятору с частотой f, можно осуществлять амплитудную модуляцию сигнала с той же самой частотой f. На рис. 5 показаны график изменения напряжения на модуляторе (сверху) и соответствующий ему график интенсивности модулированного излучения на выходе MZI-интерферометра.
Как уже отмечалось, оптический модулятор компании Intel способен модулировать излучение на скорости 1 ГГц. Однако это не предел. В корпорации Intel полагают, что в недалеком будущем полоса пропускания оптических систем на кремниевой основе составит 10 и даже 40 Гбит/с.
Рис. 5. График изменения напряжения на модуляторе и соответствующий ему график интенсивности модулированного излучения на выходе MZI-интерферометра
Статья написана по материалам Форума IDF Spring 2004 корпорации Intel.
