Кремниевая фотоника: на грани серийного производства

Логотип IntelКремниевая фотоника переживает эпоху Ренессанса – громкие анонсы из лабораторий Intel следуют один за другим. Прошло всего три года с момента объявления Intel о создании первого в мире гибридного лазера непрерывного действия на основе кремния по стандартной полупроводниковой технологии Intel. И вот в конце февраля 2008 г. в престижном научном издании Nature Photonics была опубликована статья "Каскадный кремниевый лазер на основе эффекта Рамана", явившая миру очередной прорыв инженеров Intel в области кремниевой фотоники. Инженеры корпорации продемонстрировали действующий образец каскадного кремниевого лазера на основе эффекта Рамана, способного усиливать излучение лазера на другой длине волны, что уже сегодня может применяться для исследования содержания газов и водяных паров в атмосфере в экологических и промышленных целях.

А началось все в тот момент, когда исследователи корпорации Intel и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре смогли объединить светоизлучающие способности фосфида индия со способностью кремния проводить свет и создали единый гибридный кристалл, при приложении напряжения к которому элементы из фосфида индия начинали генерировать поток фотонов – свет с определенной длиной волны, передающийся по кремниевому волноводу и образующий непрерывный лазерный луч. Конструкция волновода имела существенное значение для того, чтобы обеспечить необходимую производительность и длину волны такого лазера. Таким образом был разработан первый в мире гибридный лазер, для изготовления которого использовались стандартные для кремниевых микросхем производственные процессы.

Важнейшим технологическим приемом при производстве таких устройств являлось использование низкотемпературной кислородной плазмы (электрически заряженного газообразного кислорода) для создания тонкой окисной пленки толщиной всего около 25 атомов на поверхностях обоих материалов. При нагревании и прижимании двух материалов друг к другу слой окиси выполняет функцию "прозрачного клея", обеспечивая сплавление фосфида индия и кремния в единый кристалл.

Разработка гибридного лазера была подкреплена другими достижениями корпорации Intel на пути выполнения ее долгосрочной исследовательской программы по созданию устройств кремниевой фотоники с использованием стандартных производственных процессов. В 2004 году исследователи корпорации Intel впервые продемонстрировали кремниевый оптический модулятор с полосой пропускания более 1 ГГц, что в 50 раз превышало возможности предыдущих образцов кремниевых модуляторов. В 2005 году инженеры Intel также впервые продемонстрировали, что кремний может служить для усиления потока фотонов при использовании внешних источников света. Это позволило создать однокристалльный лазер с постоянной длиной волны на основе эффекта Рамана.

Суть эффекта Рамана состоит в том, что при поглощении фотонов атомами, из которых образован кристалл, вторичное излучение состоит из фотонов с большей длиной волны. Иными словами, подпитывая лазер потоком фотонов с одной длиной волны, луч лазера можно усиливать практически на любой другой длине волны – это особенно важно при повышении спектральной плотности линий связи. Другое достоинство такого лазера - невысокий по сравнению с традиционными лазерами уровень тепловых потерь. Рамановские лазеры и оптические усилители уже довольно давно применяются в индустрии оптических коммуникаций, однако там для достижения необходимого коэффициента усиления требуются километры оптоволокна. В кремнии же данный эффект проявляется примерно в 10 000 раз сильнее. Наконец, индивидуальная сборка и настройка лазеров на основе фосфида индия, которые сегодня широко применяются в телекоммуникационном оборудовании, стоят дорого и создают препятствия на пути организации бюджетного серийного производства таких устройств для нужд цифровой индустрии.

До лазера, созданного в лабораториях Intel, рамановское усиление в кремниевых структурах удавалось получить лишь для очень коротких импульсов - не более нескольких наносекунд. Проблема в том, что электроны, освобождаемые энергией проходящего сквозь кристалл излучения, сами же и поглощают это излучение. Для преодоления проблемы "двухфотонного поглощения" была использована специфическая полупроводниковая методика – на пути лазерного луча создавались области с положительным зарядом, оттягивающие "паразитные" электроны.

В первом кремниевом рамановском лазере Intel входные длины волн фотонов составляли от 1548 до 1558 нм с интервалом 2 нм; длина волны выходного излучения находилась в диапазоне от 1683 до 1696 нм. Суть нового, нынешнего изобретения Intel – каскадного гибридного лазера на основе эффекта Рамана - состоит в том, что выходное излучение можно вновь направить на подпитку того же самого лазера, и его длина волны на выходе опять увеличится, на сей раз уже до 1850 нм, а при третьем проходе – до 2050 нм и так далее. Инженеры Intel продемонстрировали двухкаскадный образец, однако не за горами создание образцов и с большим числом каскадов (теоретически их число можно довести до шести).

Каскадные рамановские лазеры уже довольно давно известны, однако до сих пор они делались на основе оптических волокон, где с увеличением длины волны излучения резко возрастают потери. В кремниевом же лазере можно обеспечить небольшие потери энергии излучения при возрастании длины волны вплоть до 6000 нм, или 6 микрон. Кроме того, кремниевые лазеры дешевле, не боятся нагрева и вообще – прочнее и устойчивее.

Но самое главное достоинство каскадного лазера – то, что перевод выходной длины волны лазера в диапазон 1850 нм позволяет использовать устройство в качестве анализатора содержания различных газов и водяных паров в атмосфере. Например, характерная линия поглощения для водяного пара находится в области 1847 нм, а для метана – в области 1687 нм. Лазеры, работающие в диапазоне длин волн около 2 микрон, были известны и раньше, но до открытия Intel это были громоздкие и дорогие приборы, а теперь их цена и размеры уменьшились в тысячи раз, не говоря уже о других преимуществах. Имея в своих руках дешевое и простое устройство на основе кремниевого каскадного лазера, можно мерить содержание одновременно метана и водяного пара в атмосфере. Это пригодится и для контроля окружающей среды, и для биохимических анализов, и для оценки промышленного производства. Особенно полезным это изобретение видится в свете нарастающего интереса к проблемам глобального потепления, ведь выброс единицы объема метана в атмосферу Земли сказывается на "парниковом эффекте" в 25 раз сильнее, чем выброс такого же количества двуокиси углерода.

Наконец, революционное достижение Intel позволит устранить еще одну из преград на пути создания недорогих устройств на базе кремниевой фотоники, обладающих высокой пропускной способностью. Такие устройства смогут обеспечить эффективные внутренние и внешние соединения, которые будут использоваться при создании компьютеров и центров обработки данных будущего. Уже сегодня Intel совместно с кафедрой электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре работает с материалами на базе фосфида индия для создания новаторских оптоэлектронных устройств с пропускной способностью до 160 Гбит/с, а также разрабатывает технологии соединения разнородных материалов, которые позволят создавать новые электронные устройства с улучшенной производительностью.

Теги: Intel

Комментарии
Добавить комментарий

Введите имя:
Войти от:
или
Ваш комментарий:


Введите код:

E-mail (не обязательно)
Адрес электронной почты не предназначен к показу и будет использован только для уведомлений об ответах


Последние новости

 
На прошлой неделе компания запустила игру на Android в США
 
Он предназначен для высокопроизводительных настольных систем с логикой AMD X390
 
Статистику установленных приложений опубликовал Avast
 
Приложение Windows 10 Update Assistant подтвердило дату выхода новой системы
 
StarCraft: Brood War версии 1.18а адаптирован для разрешений до 4K
 
Новое обновление полностью отключает возможность зарядки смартфона
 
Avast опубликовал данные по использованию операционных систем
 
Hangouts превратится в конкурента Slack, пользователям предложат Google Allo

Обзор Huawei Mate 9
Фаблет-флагман Huawei. Производительный и с хорошей камерой
20 марта 2017 /
Смартфон в металлическом корпусе на 2 SIM-карты - Samsung Galaxy J5 Prime
Стильный смартфон с хорошей автономностью
13 марта 2017 / 8
Умные часы с GPS-навигатором - Samsung Gear S3
Лучшие умные часы на рынке для 2016-2017 годов
6 марта 2017 /
4G LTE смартфон с двумя SIM-картами - Senseit E510
Стильный и недорогой смартфон от российской компании
26 февраля 2017 / 6
Защищенный 4G-смартфон - Senseit R450
Современный защищенный смартфон по приемлемой цене
12 февраля 2017 / 11
Смартфон со вспышкой на передней камере - Samsung Galaxy J2 Prime
Дешевый смартфон Samsung, улучшенная версия Galaxy J1 (2016)
5 февраля 2017 / 1
 
 

Архив новостей

 
 
ПнВтСрЧтПтСбВс
  12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
2728293031  





Опрос

Нужен ли OLED-экран iPhone?
или оставить собственный вариант в комментариях (7)

Статистика