«Силиконизация» фотоники набирает обороты
В рамках прошедшего Форума компании Intel для разработчиков (IDF 2005) корпорация Intel представила первый в мире кремниевый лазер непрерывного действия.
научно-исследовательской работе корпорации Intel одним из главных направлений
является кремниевая фотоника. Очередным прорывом компании в этой области стало
создание первого в мире кремниевого лазера непрерывного действия, основанного
на Раман-эффекте, о котором рассказали в нулевой день форума 28 февраля доктор
Кевин Кэн (Kevin Kahn), директор Communications Technology Lab, и доктор Марио
Паниччия (Mario Paniccia), директор Photonics Research Lab.
Технические подробности о новом кремниевом лазере Intel опубликованы в журнале Nature от 17 февраля этого года.
Теперь фактически открыт путь для создания оптических усилителей, лазеров и преобразователей длины волны света с использованием хорошо отработанной технологии производства кремниевых микросхем. Постепенно мечта корпорации Intel о силиконизации фотоники становится реальностью, что позволит создавать недорогие высокопроизводительные оптические цепи, позволяющие осуществлять обмен данными как внутри, так и снаружи ПК.
Доктор Марио Паниччия (Mario Paniccia), директор Photonics Research Lab
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/с. Для того чтобы реально представить эту громадную цифру, приведем простое сравнение: такой пропускной способности вполне достаточно, чтобы обеспечить одновременную передачу телефонных переговоров 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.
Исследования в области оптических систем связи и оптических цепей начались еще в 70-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 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.
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.
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 Microelectronics. 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). 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 обретает реальные очертания.
А сегодня, год спустя после анонсирования кремниевого оптического модулятора, компания Intel объявила об очередном технологическом прорыве — создании кремниевого лазера непрерывного действия на Раман-эффекте.
Итак, что же представляет собой кремниевый лазер непрерывного действия?
Как работает лазер
ринцип
действия любого лазера (Light Amplifier Stimulated by Emission Radiation, LAZER)
или усилителя света достаточно прост и основан на том, что электроны атомов
вещества могут находиться в различных энергетических состояниях и переход электрона
из одного энергетического состояния в другое сопровождается поглощением или
излучением энергии в виде фотона. В результате поглощения фотона электрон переходит
на более высокий энергетический уровень (возбужденное состояние атома). Поскольку
такое состояние является нестабильным, в любой момент времени атом спонтанно
может вернуться к своему «нормальному» состоянию (электрон переходит на более
низкий энергетический уровень) с высвобождением энергии в виде фотона (рис.
1).
Рис. 1. Принцип действия типичного лазера
Основная задача заключается в создании таких аномальных условий, при которых все атомы вещества переходят в возбужденное состояние — этот процесс называется накачкой. Такие условия могут создаваться с помощью внешних ламп накачки со спектральным диапазоном, соответствующим уровню перехода атомов в возбужденное состояние. За счет поглощения фотонов лампы накачки атомы активного вещества переходят в возбужденное энергетическое состояние; обратный переход с излучением фотонов может происходить самопроизвольно (спонтанно) либо вынужденно (индуцированное излучение). Индуцированное излучение происходит под воздействием «затравочного» фотона, который возникает в результате спонтанного излучения.
Если подобный фотон поглощается возбужденным атомом, то атом переходит в состояние с меньшей энергией, в результате чего, кроме фотона, индуцировавшего энергетический переход, высвобождается еще один фотон. Примечательно, что оба фотона абсолютно неотличимы друг от друга, то есть имеют одинаковую энергию, определяемую разницей между энергетическими уровнями перехода и направлением распространения. Теперь уже два фотона распространяются в веществе, сталкиваясь на своем пути с возбужденными атомами, причем каждое такое столкновение влечет за собой появление еще одного фотона. В результате лавинообразного нарастания количества фотонов образуется лазерное излучение света. Еще раз подчеркнем, что вследствие идентичности всех фотонов лазерное излучение однонаправленно и монохроматично (длина волны излучения — строго определенная).
Описанная схема может использоваться для создания оптических усилителей света. В этом случае в качестве «затравочных» фотонов используются не те фотоны, которые порождаются в результате спонтанного излучения, а фотоны внешнего излучения, подвергаемого усилению.
Для того чтобы создать собственно лазер, то есть источник излучения, активное вещество помещается между двумя строго параллельными друг другу зеркалами, образующими оптический резонатор. Одно из зеркал является полупрозрачным, что позволяет части излучения выходить наружу. Если в такой системе постоянно создавать оптическую накачку активного вещества, то первоначально зародившееся излучение за счет спонтанного фотона впоследствии становится самоиндуцированным, поскольку часть излучения отражается от полупрозрачного зеркала, возвращаясь в оптический резонатор, и индуцирует излучение фотонов.
 |
|
Раман-эффект
качестве активного вещества для создания лазеров могут служить далеко не все
материалы — в частности, использование кремния оказывается невозможным. В то
же время усиление света в кремнии достигается за счет другого физического явления
нелинейной оптики — Раман-эффекта.
Раман-эффект используется уже довольно давно и находит широкое применение для создания усилителей света и лазеров на основе оптического волокна.
Принцип действия подобных устройств заключается в следующем. Лазерное излучение (излучение накачки) с длиной волны l = 1,55 mm (мкм) заводится в оптическое волокно (рис. 2). 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 = 1,55 mm.
Рис. 2. Принцип действия усилителя света за счет Раман-эффекта
Теперь представим себе, что существует также и 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. 3).
Рис. 3. Использование Раман-эффекта 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 стекловолокна, Раман-эффект в кремнии выражен в 10 тыс. раз сильнее (рис. 4), 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 Раман-эффекта в кремнии позволяет создавать миниатюрные и дешевые усилители света и оптические лазеры.
Рис. 4. Раман-эффект в различных веществах
|
|
Кремниевый лазер
роцесс
создания кремниевого рамановского оптического усилителя или лазера 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 удешевляется сам процесс производства.
Излучение, заводимое в такой кремниевый волновод, проходит всего несколько сантиметров, после чего вследствие Раман-эффекта 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 двухфотоное 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 возможно возникновение ситуации, 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 (рис. 5).
Рис. 5. Эффект двухфотонного поглощения излучения
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. Следовательно, 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, при том что существуют рамановские импульсные оптические усилители на основе кремния с длительностью импульса в несколько наносекунд.
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. 6). 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 поперечного распространения.
Рис. 6. 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 рамановского лазера.
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 (см. рис. 6), 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. 7).
Рис. 7. Схема кремниевого лазера непрерывного действия
Пока кремниевые лазеры существуют только на лабораторных столах и не перешли в разряд массовых продуктов, однако, как сказал Марио Паниччия, уже сейчас можно говорить о том, что эти лазеры смогут передавать терабайты данных в компьютерах и сетях будущего (рис. 8).
Рис. 8. Кремниевый лазер непрерывного действия, выполненный в виде микросхемы
Статья написана по материалам Форума IDF Spring 2005 корпорации Intel.
