Фотонная интегральная схема ( ПОС ) или оптическая интегральная схема представляет собой устройство , которое объединяет несколько ( по крайней мере , два) фотонные функции и как таковой подобен электронной интегральной схему . Основное различие между ними заключается в том, что фотонная интегральная схема обеспечивает функции для информационных сигналов, накладываемых на оптические длины волн, как правило, в видимом спектре или ближнем инфракрасном диапазоне от 850 до 1650 нм.
Наиболее коммерчески используемой материальной платформой для фотонных интегральных схем является фосфид индия (InP), который позволяет интегрировать различные оптически активные и пассивные функции на одном кристалле. Первоначальными примерами фотонных интегральных схем были простые 2-х секционные лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR), состоящие из двух независимо управляемых секций устройства - секции усиления и секции зеркала DBR. Следовательно, все современные монолитные перестраиваемые лазеры, широко настраиваемые лазеры, лазеры и передатчики с внешней модуляцией , 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 Технологический университет Эйндховена в Нидерландах.
Разработка 2005 года [2] показала, что кремний, даже несмотря на то, что он является непрямым запрещенным материалом, все же может использоваться для генерации лазерного света за счет рамановской нелинейности. 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 преобладающим материалом, системные фотонные интегральные схемы были изготовлены из различных материальных систем, включая электрооптические кристаллы, такие как ниобат лития , кремний на кремнии, кремний на изоляторе , различные используемые полимеры и полупроводниковые материалы. для изготовления полупроводниковых лазеров, таких как GaAs и InP . Используются различные системы материалов, поскольку каждая из них обеспечивает различные преимущества и ограничения в зависимости от функции, которую необходимо интегрировать. Например, PIC на основе диоксида кремния (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 создания рисунка пластин для травления и осаждения материала. В отличие от электроники, в которой основным устройством является транзистор , нет единого доминирующего устройства. Спектр устройств, необходимых для микросхемы, включает межкомпонентные волноводы с низкими потерями , 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, что приводит к появлению бытовой электроники петагерцового диапазона и частотного диапазона .
Примеры фотонных интегральных схем
Основное применение фотонных интегральных схем - это волоконно-оптическая связь, хотя также возможны приложения в других областях, таких как биомедицинские и фотонные вычисления .
Упорядоченную волноводную решетку (AWG) , которые обычно используются в качестве оптических (DE) мультиплексоров в длине волны мультиплексирования с разделением (WDM) волоконно-оптические коммуникационные системы являются примером фотонной интегральной схемы , который заменил предыдущие схемы мультиплексирования , которая использовала несколько дискретных элементов фильтра. Поскольку разделение оптических мод необходимо для квантовых вычислений , эта технология может быть полезна для миниатюризации квантовых компьютеров (см. Линейные оптические квантовые вычисления ).
Другим примером фотонного интегрированного чипа, широко используемого сегодня в волоконно-оптических системах связи , является лазер с внешней модуляцией (EML), который сочетает в себе лазерный диод с распределенной обратной связью и модулятор электропоглощения [4] на одном кристалле на основе InP .
Текущее состояние
Фотонная интеграция в настоящее время является активной темой в контрактах на оборону США. [5] [6] Он включен Оптическим межсетевым форумом для включения в стандарты оптических сетей 100 гигагерц. [7]
Смотрите также
Заметки
- ^ Ларри Колдрен; Скотт Корзин; Милан Машанович (2012). Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы (Второе изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781118148181.
- ^ 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 : 2005Natur.433..725R . DOI : 10,1038 / природа03346 . PMID 15716948 . S2CID 4429297 . Архивировано из оригинального (PDF) 24 июля 2013 года.
- ^ Нарасимха, Адитхьярам; Аналуи, Бехнам; Балматер, 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, Яньсинь; Уэлч, Брайан; Витценс, Джереми; Абдалла, Шериф; Глёкнер, Штеффен; Де Доббелаэр, Питер (2008). «Оптоэлектронный приемопередатчик QSFP с пропускной способностью 40 Гбит / с в технологии кремния на изоляторе CMOS 0,13 мкм» . Труды конференции по оптоволоконной связи (OFC) : OMK7. DOI : 10.1109 / OFC.2008.4528356 . ISBN 978-1-55752-856-8. S2CID 43850036 .
- ^ Энциклопедия лазерной физики и техники - модуляторы электропоглощения, модуляторы электропоглощения
- ^ «Основанные на кремнии фотонные аналоговые механизмы обработки сигналов с возможностью реконфигурирования (Si-PhASER) - Федеральные возможности для бизнеса: возможности» . Fbo.gov . Проверено 21 декабря 2013 .
- ^ «Центры комплексных инженерных исследований фотоники (CIPhER) - Федеральные возможности для бизнеса: возможности» . Fbo.gov . Проверено 21 декабря 2013 .
- ^ 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 к компьютерам следующего поколения .
- Guha, A .; Рамнараян, Р .; Дерстайн, М. (1987). «Архитектурные вопросы проектирования символьных процессоров в оптике». Материалы 14-го ежегодного международного симпозиума по компьютерной архитектуре - ISCA '87 . п. 145. DOI : 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. Am . A3 : 62. Полномочный код : 1986JOSAA ... 3 ... 62B .
- Бреннер, К.-Х. (1988). «Программируемый оптический процессор на основе символьной замены». Прил. Опт . 27 (9): 1687–1691. Bibcode : 1988ApOpt..27.1687B . DOI : 10,1364 / AO.27.001687 . PMID 20531637 .