Компьютеры будущего: свет вместо электричества?

Хотя термин «фотоника» стал общеупотребительным в 80-х годах прошлого столетия, эта область исследований возникла вскоре после изобретения лазера в конце 1950-х – начале 1960-х годов и последующего лазерного диода.
Фотонные интегральные схемы (Photonic Integrated Circuit, PIC) могли бы обеспечить эффективные по стоимости решения как для оптических коммуникаций, так и внутрикомпонентных соединений в компьютерной индустрии. Сегодня исследования в этой области ведутся во многих научных лабораториях мира. На этот раз мы представляем две перспективные разработки корпорации Intel и Массачусетского технологического института (МТИ).

Установка для тестирования лазерного модулятора

Кремниевый лазерный модулятор

Особый интерес вызывают PIC на кремниевой платформе, поскольку последняя поддерживается широкомасштабным и недорогим производством. Одним из ключевых компонентов, необходимых для подобных PIC, является высокоскоростной кремниевый оптический модулятор, который используется для кодирования данных с помощью пучка света. Типичные коммерческие модуляторы базируются на экзотических электрооптических материалах, таких как ниобат лития и полупроводниковые соединения III–V групп элементов таблицы Менделеева. Скорость модуляции этих устройств может достигать 40 Гб/с. Добиться подобных скоростей в кремнии довольно сложно, поскольку кристаллический кремний не демонстрирует линейного электрооптического эффекта, необходимого для модуляции света. Инженеры были вынуждены использовать дисперсионный эффект плазмы свободных носителей, при котором показатель преломления изменяется в зависимости от плотности свободных носителей (электронов, дырок).

Разработанный Intel кремниевый оптический модулятор все еще базируется на эффекте свободных носителей, однако его высокие скорости являются результатом уникального дизайна, использующего схему бегущей волны. Свой вклад в производительность модулятора внесли также улучшенная компоновка, понижающая паразитные эффекты, конструкция электрода, обеспечившая низкое затухание, и усовершенствованные оконечные схемы.

Модулятор Intel основан на интерферометре Маха-Цендера с обратносмещенным pn-переходом в каждом плече. Когда к переходу прикладывается обратное напряжение, то его зона обедняется свободными носителями, электронами и дырками, при этом показатель преломления изменяется вследствие эффекта свободных носителей. Интенсивность света, проходящего через интерферометр, модулируется в соответствии с изменением разности фаз в плечах прибора. Модуляция может быть очень быстрой, поскольку плотность свободных носителей способна колебаться в зоне перехода с периодом около 7 пс. Таким образом, скорость модулятора ограничивается паразитными эффектами, к примеру постоянной RC.

Рис. 1

Чтобы минимизировать влияние постоянной RC, исследователи из Intel применили схему возбуждения бегущей волны, позволяющую электрическому и оптическому сигналам распространяться совместно вдоль волновода (рис. 1). Электрод бегущей волны, который базировался на копланарном волноводе, был спроектирован таким образом, чтобы согласовать скорость обоих сигналов, сохраняя при этом низкое затухание радиосигнала. Для работы модулятора радиосигнал подавался в линию передачи с помощью коммерчески доступного возбудителя (драйвера) со стороны оптического входа, и линия передачи терминировалась внешним резистором (рис. 2). После упаковки модулятора на печатной плате исследователям удалось добиться пропускной способности до 40 Гб/с.

Подобный высокоскоростной кремниевый оптический модулятор может найти применение в разнообразных будущих приложениях. Например, интегральные кремниевые фотонные схемы могут со временем обеспечить эффективное по стоимости решение для оптических соединений внутри компьютеров и других устройств.

Первый германиевый лазер

Материалы, используемые обычно в современных лазерах, такие как арсенид галлия, очень тяжело интегрировать с современной микроэлектроникой. Как следствие, лазеры должны конструироваться отдельно и затем «прививаться» на чип. Это более дорогостоящий и требующий большего времени процесс, чем непосредственное создание лазера в кремнии. С этой точки зрения такой материал, как германий является более привлекательным.

И вот исследователи из МТИ продемонстрировали первый лазер, построенный на германии, который может генерировать свет с длиной волны, пригодной для оптических коммуникаций. Это также первый германиевый лазер, работающий при комнатной температуре. В отличие от традиционных материалов, используемых для лазеров, германий легко инкорпорируется в существующий процесс изготовления кремниевых чипов. Таким образом, этот результат может оказаться важным шагом на пути создания компьютеров, в которых данные передаются с помощью света, а не электричества. Но более фундаментальный результат заключается в том, что исследователи показали, вопреки общепринятому мнению, что класс полупроводников с непрямыми переходами может быть использован для создания лазеров.

Оптические соединения в компьютерах становятся особенно привлекательными в связи с ростом вычислительной мощности процессоров. К тому же электрические связи теряют практичность, поскольку необходимы слишком большие энергозатраты при передаче данных на высоких частотах. Использование для этих целей лазеров может быть более энергоэффективным, однако требует интеграции оптических и электронных компонентов на кремниевом чипе.

Рис. 2

Сборка чипа довольно кропотливый процесс, в котором слои разных материалов осаждаются на пластине кремния, а затем вытравливаются схемы. Введение нового материала в этот процесс является трудным: необходимо наличие химических связей между прилегающими слоями, и осаждение должно выполняться при температурах и в химическом окружении, подходящих для всех материалов.

Включение германия в технологический процесс, однако, является уже знакомой технологией почти для всех основных производителей чипов, поскольку его добавка увеличивает скорость работы кремниевых микросхем.

Арсенид галлия, кремний и германий являются примерами полупроводников, которые используются, по сути, во всей современной электронике. Лазеры на базе полупроводников превращают энергию электронов в фотоны. Как уже упоминалось выше, полупроводники делятся на два типа: с прямыми переходами, подобно арсениду галлия, и с непрямыми переходами, как германий и кремний. Напомним, что переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называется прямым, если его волновой вектор не изменяется, в противном случае он называется непрямым. По словам Юргена Микела (Jurgen Michel), руководителя Группы исследования электронных материалов, в научных кругах существовало мнение, что полупроводники с непрямой зоной никогда не смогут генерировать свет. Более того, это было своеобразной хрестоматийной истиной.

В полупроводниковом кристалле возбужденный электрон становится свободным и переходит в зону проводимости, в которой он может двигаться по кристаллу. Но фактически переход на более низкий энергетический уровень в зависимости от состояния электрона может осуществляться двумя путями: с излучением или без излучения (с выделением тепла).

В прямозонных полупроводниках излучательный переход образует более низкоэнергетическое состояние, чем безызлучательный, т. е. более вероятен. В непрямозонных полупроводниках – картина обратная.

В статье, которая отослана в журнал Optics Letter Цзифен Лю (Jifeng Liu), Лайонел Кимерлинг (Lionel Kimerling), Юрген Микел и два других исследователя в группе описали, как они «уговорили» возбужденные электроны в германии выполнять излучательный переход.

Вначале они использовали широко известную в производстве чипов технику, называемую легированием, в процессе чего атомы некоторого другого элемента добавляются в полупроводниковый кристалл. Для легирования был применен фосфор с пятью внешними электронами. Поскольку германий имеет только четыре внешних электрона, то каждый атом фосфора дает избыточный электрон. Эти электроны заполняют более низкие энергетические состояния в зоне проводимости, заставляя возбужденные электроны располагаться на более высоких, «излучательных».

Согласно теоретическим расчетам, выполненным в группе, легирование дает наилучшие результаты при плотности 1020 атомов на 1см3 германия. К настоящему времени группа разработала технику, которая обеспечивает 1019 атомов на 1 см3. Уже при этой плотности можно было наблюдать генерацию света.

Второй шаг заключался в том, чтобы понизить энергетическую щель между двумя уровнями в зоне проводимости, для того чтобы возбужденные электроны могли с большей вероятностью заполнять излучательные состояния. Исследователи добились этого, адаптировав другую общеприменяемую технику в индустрии чипов: они «растянули» германий, т. е. чуть увеличили расстояния между его атомами, вырастив его прямо на поверхности слоя кремния. И кремний, и германий осаждались при высоких температурах. Но кремний сжимается при охлаждении не так сильно, как германий. Атомы последнего стараются согласовать свое расположение с атомами кремния, в результате чего расстояние между ними слегка увеличивается. Изменение угла и длины связей между атомами германия изменяет также и энергию, требуемую для того, чтобы выбить их электроны в зону проводимости. По словам Лайонела Кимерлинга, возможность выращивания германия на кремнии и управления растягиванием германиевой пленки на кремнии является открытием группы.

Правда, перед тем как использовать германиевые лазеры на практике, необходимо повысить мощность их излучения. «Однако сам факт, что германий заставили генерировать свет, является весьма многообещающим», – отметил Тремонт Мяо (Tremont Miao), директор по маркетингу Analog Devices Semiconductor.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365