Фотонная интегральная схема - Photonic integrated circuit

А фотонная интегральная схема (ПОС) или же интегральная оптическая схема представляет собой устройство, которое объединяет несколько (как минимум две) фотонных функций и как таковое похоже на электронная интегральная схема. Основное различие между ними заключается в том, что фотонная интегральная схема обеспечивает функции для информационных сигналов, наложенных на оптический длины волн обычно в видимый спектр или рядом инфракрасный 850 нм-1650 нм.

Наиболее коммерчески используемой материальной платформой для фотонных интегральных схем является фосфид индия (InP), что позволяет интегрировать различные оптически активные и пассивные функции на одном кристалле. Первоначальные примеры фотонных интегральных схем были простыми двухсекционными. распределенный брэгговский отражатель (DBR) лазеры, состоящие из двух независимо управляемых секций прибора - секции усиления и секции зеркала DBR. Следовательно, все современные монолитные перестраиваемые лазеры, широко перестраиваемые лазеры, лазеры с внешней модуляцией и передатчики, интегрированные приемники и т.д. являются примерами фотонных интегральных схем. По состоянию на 2012 год устройства объединяют сотни функций на одном чипе.^[1] Новаторская работа в этой области была проведена в Bell Laboratories. Наиболее известными академическими центрами передового опыта в области фотонных интегральных схем в InP являются Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, США, и Эйндховенский технологический университет в Нидерландах.

Разработка 2005 года^[2] показали, что кремний, даже несмотря на то, что он является непрямым запрещенным материалом, все же может использоваться для генерации лазер света через рамановскую нелинейность. Такие лазеры не имеют электрического привода, а имеют оптический привод, и поэтому по-прежнему требуются дополнительный лазерный источник с оптической накачкой.

Сравнение с электронной интеграцией

В отличие от электронной интеграции, где кремний является доминирующим материалом, системные фотонные интегральные схемы были изготовлены из различных материальных систем, включая электрооптические кристаллы, такие как ниобат лития, кремнезем на кремнии, Кремний на изоляторе, различные полимеры и полупроводник материалы, которые используются для изготовления полупроводниковые лазеры Такие как GaAs и InP. Используются разные системы материалов, поскольку каждая из них обеспечивает различные преимущества и ограничения в зависимости от функции, которую необходимо интегрировать. Например, PIC на основе кремнезема (диоксида кремния) имеют очень желательные свойства для пассивных фотонных схем, таких как AWG (см. Ниже), из-за их сравнительно низких потерь и низкой термочувствительности, PIC на основе GaAs или InP позволяют прямую интеграцию источников света и кремния. PIC обеспечивают совместную интеграцию фотоники с транзисторной электроникой.^[3]

Методы изготовления аналогичны тем, которые используются в электронных интегральных схемах, в которых фотолитография используется для нанесения рисунка на пластины для травления и нанесения материала. В отличие от электроники, где основным устройством является транзистор, нет единого доминирующего устройства. Диапазон устройств, требуемых на микросхеме, включает межблочные соединения с низкими потерями. волноводы, делители мощности, оптические усилители, оптические модуляторы, фильтры, лазеры и детекторы. Для этих устройств требуется множество различных материалов и технологий изготовления, что затрудняет их реализацию на одном кристалле.

Новые методы с использованием резонансной фотонной интерферометрии уступают место использованию УФ-светодиодов для оптических вычислений с гораздо более дешевыми затратами, ведущими к петагерцу. PHz бытовая электроника.

Примеры фотонных интегральных схем

Основное применение фотонных интегральных схем находится в области волоконно-оптическая связь хотя приложения в других областях, таких как биомедицинский и фотонные вычисления также возможны.

В матричная волноводная решетка (AWG), которые обычно используются в качестве оптических (де) мультиплексоров в мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) волоконно-оптическая связь системы являются примером фотонной интегральной схемы, которая заменила предыдущие схемы мультиплексирования, в которых использовалось несколько дискретных фильтрующих элементов. Поскольку разделение оптических мод необходимо для квантовые вычисления, эта технология может быть полезна для миниатюризации квантовых компьютеров (см. линейные оптические квантовые вычисления ).

Еще один пример фотонного интегрированного чипа, широко используемого сегодня в волоконно-оптическая связь систем - это лазер с внешней модуляцией (EML), который сочетает в себе лазерный диод с распределенной обратной связью с электроабсорбционный модулятор ^[4] на одном InP на базе чипа.

Текущее состояние

Фотонная интеграция в настоящее время является активной темой в контрактах на оборону США.^[5][6] Он включен Форум оптического межсетевого взаимодействия для включения в стандарты оптических сетей 100 гигагерц.^[7]

Смотрите также

• Оптические вычисления
• Оптический транзистор

Примечания

1. Ларри Колдрен; Скотт Корзин; Милан Машанович (2012). Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы (Второе изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN  9781118148181.
2. Ронг, Хайшэн; Джонс, Ричард; Лю, Аньшэн; Коэн, Одед; Хак, Дани; Фанг, Александр; Паничча, Марио (февраль 2005 г.). «Рамановский кремниевый лазер непрерывного действия» (PDF). Природа. 433 (7027): 725–728. Bibcode:2005Натура.433..725р. Дои:10.1038 / природа03346. PMID  15716948. S2CID  4429297. Архивировано из оригинал (PDF) на 24.07.2013.
3. Нарасимха, Адитхьярам; Аналуи, Бехнам; Бальматер, Эрвин; Кларк, Аарон; Гал, Томас; Гукенбергер, Дрю; Гутьеррес, Стив; Харрисон, Марк; Инграм, Райан; Куманс, Роджер; Кухарский, Даниэль; Прыжок, Косал; Лян, Йи; Мекис, Аттила; Мирсаиди, Сина; Петерсон, Марк; Фам, Тан; Пинге, Тьерри; Райнс, Дэвид; Садагопан, Викрам; Sleboda, Thomas J .; Песня, Дэн; Ван, Янсинь; Уэлч, Брайан; Витценс, Джереми; Абдалла, Шериф; Глёкнер, Штеффен; Де Доббелэр, Питер (2008). «Оптоэлектронный приемопередатчик QSFP с пропускной способностью 40 Гбит / с в технологии кремний-на-изоляторе CMOS 0,13 мкм». Труды конференции по оптоволоконной связи (OFC): ОМК7. Дои:10.1109 / OFC.2008.4528356. ISBN  978-1-55752-856-8. S2CID  43850036.
4. Энциклопедия лазерной физики и техники - модуляторы электропоглощения, модуляторы электропоглощения.
5. "Модули обработки аналоговых сигналов на основе кремния с возможностью реконфигурирования (Si-PhASER) - Федеральные возможности для бизнеса: возможности". Fbo.gov. Получено 2013-12-21.
6. «Центры комплексных инженерных исследований в фотонике (CIPhER) - Федеральные возможности для бизнеса: возможности». Fbo.gov. Получено 2013-12-21.
7. CEI-28G: прокладывая путь к 100 гигабитам

Рекомендации

• Ларри Колдрен; Скотт Корзин; Милан Машанович (2012). Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы (Второе изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN  9781118148181.
• Маколей, Аластер Д. (1999). Оптические компьютерные архитектуры: применение оптических концепций в компьютерах следующего поколения.
• Guha, A .; Рамнараян, Р .; Дерстайн, М. (1987). «Архитектурные вопросы при проектировании символьных процессоров в оптике». Материалы 14-го ежегодного международного симпозиума по компьютерной архитектуре - ISCA '87. п. 145. Дои:10.1145/30350.30367. ISBN  0818607769. S2CID  14228669.
• Корпорация Альтера (2011 г.). «Преодолейте медные ограничения с помощью оптических интерфейсов» (PDF).
• Brenner, K.-H .; Хуанг, Алан (1986). «Логика и архитектуры для цифровых оптических компьютеров (А)». J. Opt. Soc. Являюсь. A3: 62. Bibcode:1986JOSAA ... 3 ... 62B.
• Бреннер, К.-Х. (1988). «Программируемый оптический процессор на основе символьной замены». Appl. Opt. 27 (9): 1687–1691. Bibcode:1988ApOpt..27.1687B. Дои:10.1364 / AO.27.001687. PMID  20531637.