`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Кремниевая фотоника как альтернатива медным внутренним соединениям

Статья опубликована в №33 (552) от 5 сентября

0 
 

Сегодня оптические соединения используются преимущественно на уровне устройство–устройство или в оптических сетях. Их основные составляющие и принципы функционирования рассмотрены в одном из предыдущих номеров. Однако существуют еще три категории межкомпонентных соединений – плата–плата, микросхема–микросхема и внутрисхемные связи, главная трудность реализации оптических соединений для которых заключается в необходимости объединить оптические и электронные функции на общей полупроводниковой подложке. Эту задачу, возможно, решит кремниевая фотоника, использующая созданные на основе кремния материалы для генерирования, передачи, управления и детектирования света.

Побудительные причины

Интерес к разработке оптических каналов связи на уровне плат был вызван созданием лезвийных серверов. Здесь очевидным объектом для применения оптических технологий является соединительная панель (backplane). Обычно на ней реализуются высокоскоростные соединения типа точка–точка или многоточечные с типичной длиной до 1 м. К ключевым преимуществам оптических соединительных панелей относятся низкие перекрестные помехи и большая полоса пропускания. Однако многие из сегодняшних оптических соединительных панелей скорее похожи на коммутационные. В них был продемонстрирован ряд оптических технологий, включая полимерные световоды, построенные на кремнии, ленточные, интегрированные с лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), планарные цепи световодов и фотодиоды. Но ни одна из них, за исключением некоторых нишевых приложений, не заменила медные соединения.

Трудно предугадать, прекратится ли гонка частот тактирования в процессорной индустрии, ведь экстраполируя закон Мура, можно ожидать к концу 2010 г. появления чипов с тактовыми частотами около 10 GHz. Однако и при существующих частотах становится все труднее обеспечивать необходимую полосу пропускания в печатных платах или модулях на базе медных шин. Было показано, что потери на печатных платах стандарта FR-4 (Flame Resistance 4) с медной разводкой быстро растут при частотах свыше 1 GHz, при этом ухудшается отношение сигнал/шум и появляются ошибки в синхронизации. Вдобавок перекрестные помехи ограничивают плотность разводки. Высокоскоростные оптические каналы длиной до 10 см между микросхемами имеют ряд преимуществ по сравнению с медными. У них меньшие потери при большей полосе пропускания, кроме того, они не подвержены перекрестным электромагнитным помехам. В последние 20 лет были предложены оптические технологии для преодоления ограничений медной проводки, однако относительно высокая стоимость и использование экзотических материалов сделали их неприемлемыми для широкомасштабного производства.

Разработка электрических связей внутри интегральных микросхем, функционирующих на частотах в несколько гигагерц, также постоянно усложняется. В такой ситуации становятся потенциально привлекательными оптические каналы с типичной длиной менее 1 см. Этому способствуют следующие причины:

  • снижение времен задержек по сравнению с использованием медных проводников;
  • большая полоса пропускания, не сдерживающая рост тактовых частот транзисторов;
  • пониженное электропотребление;
  • нечувствительность к электромагнитным помехам.

Однако сегодня работы по интеграции оптики и электроники не только пребывают на начальных этапах, но и весьма дороги по сравнению с традиционными технологиями на базе меди.

Весьма интенсивно ведет исследования в этой области Intel, подход которой к решению проблемы базируется на кремниевой фотонике. Основными строительными блоками предлагаемой интегральной платформы здесь являются настраиваемый лазер с внешним резонатором (External Cavity Laser – ECL), кремниевый модулятор, кремний-германиевый фотодетектор и недорогая технология взаимосвязей.

Кремниевые источники света

Хотя лазеры на базе кремния еще недостижимы, работы над такими источниками света, излучающими в видимом и инфракрасном диапазонах, широко ведутся во всем мире. Кремниевые источники являются одной из органических частей для монолитной интеграции, поскольку позволяют изготовить на едином субстрате и оптические элементы, и управляющую электронику. При использовании кремниевых световодов излучение должно быть в инфракрасном диапазоне с длиной волны более 1,1 мкм, поскольку именно в этом окне потери минимальны.

В настоящее время большинство исследований ведется в направлении использования эффекта электролюминесценции – излучения, получаемого в результате электрической накачки. До тех же пор, пока надежные и эффективные кремниевые излучатели не будут получены, рассматривается возможность гибридной интеграции, т. е. применения некремниевых источников света, соединяемых с кремниевыми световодами.

Трудность в изготовлении кремниевых источников света вызвана наличием запрещенной энергетической зоны с непрямыми переходами. Это приводит к тому, что вероятность безызлучательных переходов (в частности, рекомбинации Оже) становится выше, чем с эмиссией света.

Чтобы получить инфракрасное излучение, в кремний нужно ввести соответствующие примеси, например эрбий. Кремниевые световоды с примесью эрбия излучают в инфракрасном диапазоне, если дополнительно легировать их кислородом для образования оптически активных ионов в решетке. Однако данный тип устройств имеет существенный недостаток: хотя интенсивность излучения бывает относительно велика при 100° К, при комнатных температурах она резко падает.

Следующий путь повышения эффективности выхода света в кремнии – снижение количества безызлучательных переходов при рекомбинации электрон–дырка. Этого достигают посредством уменьшения диффузии носителей к центрам безызлучательной рекомбинации в решетке, что увеличивает вероятность переходов с излучением света. Один из способов такого ограничения, совместимый с технологией СБИС, основан на применении нанокристаллов. Другие средства предусматривают использование квантовых колодцев в GeSi или дефектов кристаллической решетки.

Для получения излучения с другими длинами волн можно включать примеси, отличные от эрбия. Например, тербий обеспечивает излучение с длинами волн 0,98 и 0,54 мкм. Однако время жизни и надежность таких устройств для применения их в практических целях слишком низки.

Еще одно ограничение для всех типов кремниевых источников света с прямым током – низкая скорость прямой модуляции – порядка 1 MHz. Это значит, что для создания высокоскоростных каналов они требуют внешних модуляторов.

Архитектура устройства

Работы по созданию кремниевых источников света продолжаются, однако они еще далеки от завершения. И до тех пор, пока не появится надежный и эффективный кремниевый источник света, интегрированные системы фотоники будут нуждаться в традиционных материалах III–V групп таблицы Менделеева.

Приведем, вслед за Intel, пример, как могут быть использованы лазер с внешним резонатором и кремниевый световод с решеткой Брэгга в качестве фильтра для генерируемого кристаллом групп III–V света с целью получения нужной длины волны для оптических коммуникаций. Сильный термооптический эффект в кремнии можно применять для настройки генерируемой волны.

Кремниевая фотоника как альтернатива медным внутренним соединениям
Рис. 1. Схема лазера с внешним резонатором
Кремниевая фотоника как альтернатива медным внутренним соединениям
Рис. 2. Схема традиционного лазера с внешним резонатором

Решетка Брэгга изготавливалась травлением на пластине «кремний на изоляторе» (SOI) множества бороздок размером 1,2×2,3×3,4 мкм. Затем, после соответствующей обработки, детали которой мы опускаем, решетка Брэгга помещалась в световод. ELC строился посредством стыка световода, содержащего решетку Брэгга, с чипом усилителя. Резонатор формировался между решеткой Брэгга, служащей зеркалом с одной стороны, и чипом усилителя с 90%-ным отражающим покрытием, образующим зеркало с противоположной стороны. Световод с решеткой Брэгга стыковался с усилительным чипом под углом 8°, что вместе с неотражающим покрытием уменьшало эффективную отражательную способность грани до 10-5. Генерируемый луч выходил с той грани лазерного диода, на которую было нанесено 90%-ное отражающее покрытие, и попадал в конус одномодового оптоволокна с линзой (рис. 1). Линза служила для увеличения связи между оптоволокном и лазером. Для лучшего понимания принципа работы лазера с внешним резонатором с использованием решетки Брэгга приведем его схему на более традиционных компонентах (рис. 2).

Кремниевые модуляторы

Итак, выше был описан настраиваемый лазер на базе сложного полупроводникового диода групп III–V и кремниевой решетки Брэгга. Однако лазер на выходе дает непрерывную волну, которая не несет информации. Для передачи данных по оптическим коммуникационным каналам необходим оптический модулятор. Такие устройства с частотой модуляции выше 1 GHz в типичном случае изготовлялись либо из сегнетоэлектрических кристаллов ниобата лития (LiNbO3), либо из сложных полупроводников с множеством квантовых ям, где используется локализованный эффект Штарка (расщепление спектральных линий атома под действием внешнего электрического поля) или эффект электроабсорбции. Частота модуляции в этих устройствах достигает 40 GHz.

Потребность рынка в недорогих решениях стимулировала разработки модуляторов на базе кремния. К тому же кремниевая фотоника позволяет получать монолитные интегрированные оптические элементы на базе КМОП-технологии.

Многими исследовательскими центрами были предложены и продемонстрированы кремний-базированные оптические модуляторы. Мы приведем здесь экспериментальный вариант устройства на основе интерферометра Маха–Цендера (МЦИ). Благодаря оригинальной разработке фазосдвигающей схемы на базе МОП-конденсатора, встроенного в пассивный кремниевый волновод МЦИ, для длины волны 1,55 мкм удается достичь частоты модуляции 2,5 GHz.

Кремниевая фотоника как альтернатива медным внутренним соединениям
Рис. 3. Схема модулятора на базе интерферометра Маха–Цендера с двумя фазосдвигающими секциями

Схематическое изображение МЦИ приведено на рис. 3. Входящий свет расщепляется на две равные части и направляется в два плеча интерферометра. Каждое из них может содержать активную секцию, которая с помощью прикладываемого напряжения незначительно изменяет скорость распространения света в плече. За счет этого на выходе получают сдвиг фаз лучей, что вследствие интерференции приводит к колебаниям интенсивности в результирующем луче.

Кремниевые фотодетекторы

Последним активным компонентом, который должен быть встроен в полностью кремниевую оптическую платформу, является фотодетектор. Кремниевые фотодетекторы уже получили широкое распространение для приложений, использующих видимый диапазон света (0,4–0,7 мкм), например, в цифровых камерах и сканерах, вследствие своей высокой эффективности для этих длин волн. Однако большинство полупроводниковых лазеров, применяемых в коммуникациях, работают в ближней инфракрасной области, обычно 850, 1310 и 1550 нм, в диапазоне, в котором кремний является прозрачным, т. е. плохим детектором. Самый распространенный способ увеличения тока выхода кремниевых фотодетекторов заключается в добавлении германия, что приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны и увеличению длины волны детектируемого света.

Кремниевая фотоника как альтернатива медным внутренним соединениям
Рис. 4. Фотодетектор на базе световода из SiGe. Световод формируется выступом из кремния с p-проводимостью (p-Si) и располагается перпендикулярно сечению. Множество квантовых ям находится внутри области, обозначенной SiGe

На рис. 4 приведено сечение фотодетектора на базе световодов из SiGe, разработанного Intel. Он выполнен на той же платформе SOI, что и ранее рассмотренный модулятор. Слой SiGe расположен на вершине кремниевого наплыва световода.

Первый вариант детектора в качестве поглощающего свет материала использовал 18 квантовых ям на базе Si0.5Ge0.5. Чувствительность для некоторых устройств достигала 0,1 А/В при длине волны света 1316 нм. Разработчики полагают, что путем некоторых усовершенствований чувствительность может быть повышена до 0,5 А/В. Полоса пропускания была ниже 500 MHz вследствие значительного сдвига валентной зоны, что препятствовало транспорту дырок. Однако полагают, что этот недостаток может быть исправлен за счет изменения состава пленки. Моделирование показывает, что пропускная способность может достигать 10 Gbps.

Исследования в области планарной оптики на основе кремния ведутся во многих лабораториях мира в течение уже нескольких десятилетий, однако промышленные образцы еще не получены. Тем не менее в последнее время наблюдается существенный прогресс в понимании актуальных проблем и возможных способов их решения.

Квантовые ямы

Квантовой ямой называется потенциальная яма, которая ограничивает движение частиц. Попадая в нее, частицы, ранее свободно перемещавшиеся в трехмерном пространстве, могут двигаться только в плоской области, по сути, в двухмерной. Эффект ограничения движения проявляется в том случае, когда размер квантовой ямы становится сравнимым с де-бройлевской длиной волны носителей (обычно электронов или дырок). Рассмотрим на качественном уровне, как создается квантовая яма.

Как известно, в соответствии с зонной теорией, энергетический спектр полупроводника состоит из трех зон (снизу вверх): валентной, запрещенной и зоны проводимости. Если поместить тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями полупроводников с широкими запрещенными зонами, то электроны зоны проводимости среднего тонкого слоя, у которых энергия ниже уровня энергии широких запрещенных зон прилегающих полупроводников, не смогут проникнуть сквозь потенциальный барьер, образованный ими. Таким образом, два гетероперехода ограничивают движение электронов с двух сторон, т. е. электроны оказываются запертыми в одном направлении. Можно сказать, что движение электронного газа в квантовой яме становится двухмерным.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT