Интегральная Фотоника

БИБЛИОТЕКА ЮНОГО ТРЕНДВОТЧЕРА

Александр А Колесов Андрей Литманович

Интегральная Фотоника

Оглавление

Вступление

Экскурс

Оптоэлектронная технология как предварительное условие интегральной фотоники

Оптикоэлектронная технология

Интегральная фотоника

Актуальное состояние и ближайшие перспективы

Современные серийные решения на базе фотонных микросхем

Крупные производители Интегральных оптических модулей (ИОМ)

Finisar

Lumentum

NeoPhotonics

Oclaro

Broadcom

Современные устройства на базе ОИМ

Оптические трансиверы

Когерентные приемо-передатчики

100G/400G PAM4

Интегральные волноводы

Устройства для связи внутри платы

Коммутационная матрица

Кросс-бар

Матрица временного перемещения (MTM)

Матрица пространственного перемещения (MSP)

Базовые элементы Фотонных микросхем (PDK)

Материалы и структуры PDK

Технологические правила PDK

Базисные модели PDK

Символьная библиотека PDK

Инструменты проектирования

Фотонные микросхемы

Оптический транзистор

Фотонная ячейка памяти

Фотонные волноводы

Фотонные планарные (полосковые) волноводы

Фотонные волоконные волноводы (фибры)

Фотонные кристаллические волноводы

Фотонные поверхностно-плазмонные волноводы

Пространственные волноводные решения

Решетчатый соединитель

Многомодовый интерференционный соединитель

Конический линейный волновод

Y-ветвь

Конвертер размеров пятна

Фотонные волоконные делители

Фотонные разветвители

Фотонные мультиплексоры (MUX) и демультиплексоры (DEMUX)

Фотонные азимутальные разветвители 1xN / NxM

Фотонные кросс-соединители

Фотонные волоконные делители

Фотонные интерферометры

Фотонный интерферометр Майкельсона

Фотонный творческий интерферометр

Фотонный Мач-Цехнера интерферометр

Фотонные резонаторы

Фотонный кольцевой резонатор

Фотонные микроволновые полости

Фотонный Фабри-Перо интерферометр

Фотонные смесители

Нелинейный кристаллический смеситель

Фотонный волноводный смеситель

Фотодетекторный смеситель

Фотонные активные элементы

Фотонные модуляторы

Поляризационный вращатель

Фазовращатели

Перестраиваемые соединители 2Х2

Высокоскоростные модуляторы и фотодетекторы

Оптические переключатели

Фотонные повторители

Фотонные усилители

Технологические приемы и материалы для производства фотонных чипов

Технические методы интегральной фотоники

Материалы и технологии производства фотонных микросхем

Полупроводники

Квантовые ямы

Сверхструктуры Гратта

Матрицы кремния

Фотонные печатные платы

Фотонные чиплеты

Фоторезистивный фотонный чиплет (PRC)

Фотоэффективный фотонный чиплет (PEC)

Фотоинжекционный фотонный чиплет (PIC)

Фоторезонансный фотонный чиплет (PRC)

Материалы фотонных микросхем

Технология на основе фосфида индия (InP)

Кремний на изоляторе (SOI)

Нитрид кремния (Si3N4)

Селенид кадмия (CdSe)

Индий-арсенид галлия (InGaAs)

Индий-фосфид галлия (InPGa)

Фосфид индия (InP)

Арсенид алюминия (AlAs)

Фосфид галлия (GaP)

Программируемая интегральная фотоника

Многопортовые интерферометры

Волноводные сетки.

Квантовые вычисления и квантовая фотоника.

Квантовые источники

Фильтры с высокой селективностью

Квантовые однофотонные детекторы

Квантовая логика

Нейроморфные вычисления и искусственный интеллект

Сенсорика и Биомедицина

Направления применения фотонных микросхем.

Оптические коммуникационные системы

Оптическая интерконнектная технология.

Лазерная технология

Биомедицинская оптика

Квантовая информатика

Энергоэффективность

Вызовы, стоящие перед интегральной фотоникой и перспективы развития

Заключение

Вступление

Добро пожаловать в увлекательный мир интегральной фотоники, где свет и технология объединяются для создания невероятных возможностей. В этой книге мы отправимся в захватывающее путешествие по пространству фотонных схем, оптическим коммуникациям и передовым приложениям, которые преобразуют нашу жизнь.

В мире, где свет является не только источником освещения, но и ключевым строительным блоком для передачи информации и преобразования энергии, находится скрытый потенциал. В этой удивительной эпохе интегральной фотоники мы погружаемся в мир чудесных возможностей, где сливаются оптика и электроника в единое целое.

Свет удивлял людей с самого начала существования цивилизации. Человечество победило темноту тьму, изобретя огонь, со временем изобретя различные источники света и люди попытались управлять ими.

Оптическое волокно является одним из самых мощных носителей информации на протяжении всего существования нашей цивилизации. Впервые термин был использован Американской компанией NS Kapany в 1956г.

Термин "интегральная фотоника" относится к изготовлению и интеграции нескольких фотонных компонентов на одном кристалле. Эти компоненты – блоки, которые лежат в основе интегральных фотонных чипов, описаны в данной книге. Эти компоненты могут быть использованы в качестве строительных блоков для создания более сложных устройств, которые могут выполнять широкий спектр функций и найти широкое применение в оптических системах связи, измерительной технике, сенсорах и квантовых вычислениях. Технология объединяет принципы оптики и электроники, открывая новые возможности для передачи, обработки и хранения информации. В последние десятилетия интегральная фотоника стала неотъемлемой частью современной науки и технологий, находя применение в различных областях, от телекоммуникаций до медицины и космических исследований.

В этой книге мы рассмотрим основные технологии интегральной фотоники, показывая соответствующие аспекты материалов и технологий изготовления. Также мы кратко описываем некоторые базовые компоненты, присутствующие в интегральных фотонных устройствах. Мы приведем некоторые примеры интегральных фотонных устройств чтобы показать изящное решение, которое эта технология предлагает для разработки передовых устройств.

Эта книга – попытка ознакомить читателя с основами интегральной фотоники и рассмотреть ее потенциал для решения актуальных проблем и создания новых технологий. Мы предлагаем углубиться в мир фотоники и изучить основные концепции и методы, используемые в интегральных фотонных системах.

Независимо от того, являетесь ли вы студентом, исследователем или инженером, эта книга предлагает вам возможность погрузиться в увлекательный мир интегральной фотоники и расширить свои знания об этой захватывающей и быстроразвивающейся области. Мы надеемся, что она станет полезным ресурсом для всех, кто интересуется фотоникой и стремится применить ее в своей работе или исследованиях.

Элементарные частицы света оказываются способными переносить информацию по невидимому проводнику из стекла или других материалов. Используя разветвленные сети, волноводы и модуляторы, интегральная фотоника позволяет создавать устройства с невероятной производительностью и эффективностью.

Мы рассмотрим не только основные концепции интегральной фотоники, но также раскроем потенциал данной технологии в различных областях: от высокоскоростных коммуникаций до медицины, от квантовых вычислений до сенсорных систем, от высокопроизводительных решений до энергоэффективности.

Интегральная фотоника – это не только технология будущего, но и реальность сегодня. В этой книге вы откроете для себя потрясающие возможности этой уникальной науки.

Que votre chemin illumine le mot

Ваши Авторы

Экскурс

Фотоника наука, которая начала активно развиваться в 20-м веке. Первое революционное событие в современной оптике было, безусловно, изобретение лазера Т.Х. Мейманом в 1960 году, это открытие позволило получать когерентные источники света с исключительными свойствами, такими как высокая пространственная и временная когерентность и очень высокая яркость. Именно это прорывное изобретение открыло новую эру исследований и приложений, связанных с использованием света. Лазеры стали основой для множества новых технологий и революционизировали различные области жизни. Например, оптические волокна были одной из таких технологий, которые значительно повлияли на передачу данных.

До развития технологий интегральной фотоники существовали сложности в интеграции лазерного источника излучения и схем обработки на одном чипе. Это связано с тем, что лазерный источник излучения требует особой структуры, которая несовместима с традиционными полупроводниковыми материалами и технологиями изготовления микроэлектронных устройств.

Создание лазерного источника излучения требует использования специальных материалов и технологий, таких как эпитаксиальный рост, литография высокого разрешения и т.д. Эти процессы достаточно сложны и требуют высокой точности и чистоты. Кроме того, лазерные источники излучения имеют высокую тепловую нагрузку, что усложняет интеграцию на одном чипе с другими компонентами.

С другой стороны, схемы обработки оптического сигнала также представляют сложности в интеграции на одном чипе. Это связано с тем, что оптические схемы обработки требуют использования различных оптических компонентов, таких как световоды, модуляторы, фотодетекторы и т.д. Каждый из этих компонентов имеет свою специфическую структуру и требует особой обработки при изготовлении.

Оптоэлектронная технология как предварительное условие интегральной фотоники

Интегральная фотоника является одним из самых многообещающих направлений в сфере оптоэлектроники. Однако, перед тем как перейти к рассмотрению интегральной фотоники, необходимо обратить внимание на развитие оптоэлектронной технологии. Оптоэлектронная технология представляет собой комбинацию оптических и электронных компонентов, которые используются для создания устройств, способных генерировать, передавать и обрабатывать оптические сигналы. Оптоэлектронные компоненты, такие как лазеры, фотодетекторы и оптоволокна, являются ключевыми элементами оптоэлектронной технологии. Они обеспечивают возможность создания и передачи оптических сигналов, что является основой для разработки интегральных фотонных устройств. Без оптоэлектронной технологии, интегральная фотоника не смогла бы достичь своего полного потенциала. Применение оптоэлектронной технологии в интегральной фотонике: Интегральная фотоника представляет собой совокупность технологий, которые позволяют интегрировать оптоэлектронные компоненты на одном чипе. Это открывает новые возможности для разработки компактных и эффективных оптических устройств, таких как оптические мультиплексоры, модуляторы и фотодетекторы. Оптические мультиплексоры, например, используются для комбинирования нескольких оптических сигналов на одном волокне, что позволяет значительно увеличить пропускную способность системы передачи данных. Модуляторы, в свою очередь, позволяют изменять интенсивность или фазу оптического сигнала, что является основой для оптической коммуникации и обработки информации. Фотодетекторы, в свою очередь, используются для преобразования оптического сигнала в электрический сигнал.

Оптикоэлектронная технология и технология интегральной фотоники являются двумя различными подходами к использованию оптической энергии. Вот некоторые отличия между ними:

Оптикоэлектронная технология основана на использовании электронных устройств, таких как фотодиоды и лазерные диоды, для обработки и передачи оптического сигнала. Интегральная фотоника, с другой стороны, использует фотонные компоненты, такие как волноводы и световоды, для управления и манипулирования светом.

Оптикоэлектронная технология имеет более широкий спектр применений, включая оптические системы связи, оптическую память и оптические датчики. Интегральная фотоника, с другой стороны, чаще всего применяется в оптических схемах, интегрированных на чипе, для обработки и передачи информации.

Оптикоэлектронная технология требует использования материалов с электронными свойствами, таких как полупроводники. Интегральная фотоника, напротив, использует материалы с оптическими свойствами, такие как фотонные кристаллы или полимеры.

Оптикоэлектронные устройства обычно имеют более низкую эффективность и скорость работы по сравнению с фотонными устройствами. Интегральная фотоника позволяет создавать компактные и быстрые фотонные устройства, которые могут быть интегрированы на одном чипе.

Оптикоэлектронные системы могут быть более уязвимыми к электромагнитным помехам и потерям сигнала, связанным с проводниками и соединениями. Интегральная фотоника, благодаря использованию световодов, может обеспечивать более надежную передачу и обработку оптического сигнала.

В целом, оптикоэлектронная технология и интегральная фотоника предлагают различные подходы к использованию оптической энергии. Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и ограничения, и их выбор зависит от конкретных требований и приложений.

Тем не менее, оптикоэлектронные технологии обеспечивают создание оптических компонентов, таких как лазеры, фотодетекторы, фильтры и модуляторы, которые являются основой для интегральной фотоники. Например, лазеры обеспечивают источник света, а фотодетекторы позволяют измерять и регистрировать световые сигналы. Модуляторы и фильтры позволяют управлять и изменять световые сигналы на кремниевом чипе. Они являются основой для разработки и создания оптических компонентов, которые позволяют управлять и манипулировать светом на чипах, и интеграции этих компонентов с электроникой для создания компактных и эффективных устройств.

Развитие технологий интегральной фотоники позволяет решить эти проблемы, создавая интегрированные схемы, которые объединяют лазерные источники излучения и оптические схемы обработки на одном чипе. Это делает производство и использование оптических устройств более простым и эффективным.

Оптические волокна представляют собой тонкие провода из специального стекла или пластика, которые используются для передачи информации посредством модулированного света. Благодаря высокой скорости передачи данных и минимальным потерям, оптические волокна являются основой для широкополосных интернет-соединений и телекоммуникаций на большие расстояния.

Кроме того, фотоника оказывает огромное влияние на различные области, такие как медицина, наука о материалах и энергетика. Оптические методы диагностики и лечения стали более точными и невредными для пациентов. Возможность изучать свойства материалов с помощью фотонных техник привела к созданию новых материалов со специальными свойствами. Кроме того, фотоника играет важную роль в разработке возобновляемых источников энергии.

Всего этого было бы невозможно без появления лазера – ключевого компонента в фотонике. С его помощью мы расширяем границы знаний о свете и используем его потенциал для создания инноваций, которые меняют наш мир.

В то время как растущий спрос на более быструю и эффективную передачу данных стал вызовом для традиционных электронных систем, интегрированная фотоника пришла на помощь.

Эта научная область позволяет создавать оптические схемы, которые объединяют различные компоненты и функциональности на одном чипе. Она использует свет вместо электричества для передачи информации, что открывает новые возможности для более высоких скоростей передачи данных и большей пропускной способности.

Интегрированная фотоника имеет широкий спектр применений. Например, в области оптических коммуникаций она играет ключевую роль в создании высокоскоростных сетей и центров обработки данных. Также она может быть использована в датчиках для измерения различных параметров окружающей среды или контроля качества продукции. Медицинские устройства также могут воспользоваться преимуществами интегрированной фотоники, например, для разработки точных и миниатюрных оптических датчиков или систем наблюдения.

Будущее этой технологии полно потенциала для создания еще более быстрых, эффективных и компактных систем передачи данных и других приложений.

Интегрированная фотоника о стала ключевой технологией во многих отраслях.

В сфере телекоммуникаций интегрированная фотоника играет решающую роль в передаче данных на большие расстояния. Она позволяет создавать высокоскоростные оптические сети связи, которые обеспечивают быстрый и надежный обмен информацией. Это особенно актуально в наше время, когда поток данных стремительно растет.

В медицине интегрированная фотоника имеет огромный потенциал для диагностики и лечения различных заболеваний. Фотонные сенсоры позволяют измерять параметры в режиме реального времени, что является критически важным при контролировании состояния пациента или проведении операции.

Автомобильная промышленность также воспользовалась преимуществами интегрированной фотоники. Она используется для создания передовых систем освещения и оптической связи, обеспечивая безопасность и комфорт водителям.

Более того, эта технология находит применение не только в упомянутых отраслях, но и в других сферах жизни. Например, ее использование расширяется на производство солнечных элементов или дисплеев высокого разрешения.

Интегрированная фотоника открывает огромные возможности для разработки квантовых компьютеров и других типов квантовых устройств. Эта технология позволяет использовать свет вместо электрических сигналов, что значительно ускоряет передачу информации и повышает ее производительность.

Квантовые компьютеры представляют собой новый класс вычислительных систем, способных решать сложнейшие задачи гораздо быстрее, чем классические компьютеры. Они основаны на принципах квантовой механики и используют "кьюбиты" вместо битов для обработки данных. Благодаря интегрированной фотонике, передача информации между кьюбитами может быть выполнена посредством света, что делает такие системы еще более эффективными.

Это открытие имеет потенциал изменить всю сферу вычислений и решения самых сложных проблем в научных исследованиях, оптимизации процессов в промышленности, разработке новых лекарств и много другого. Квантовые устройства также могут применяться в криптографии для обеспечения более надежной защиты информации.

Интегральная фотоника

Фотонные интегральные схемы представляют собой специализированные оптико-электронные устройства, которые объединяют различные компоненты, такие как излучатели (в частности, лазерные), фотодетекторы, волноводы и схемы обработки на одном чипе.

Отличия между высокоинтегрированными фотонными интегральными схемами и полупроводниковой (кремниевой) технологией при создании оптических устройств, включая сенсорные системы человеко-машинного взаимодействия, следующие:

– Фотонные интегральные схемы обладают меньшим размером и более компактной конструкцией по сравнению с полупроводниковыми отоэлектронными устройствами. Это позволяет создавать малогабаритные и легкие оптические системы, что особенно важно, например для сенсорных систем, где требуется минимизировать размер и вес устройства и для телекоммуникационных решений где требуется высокая производительность и скорость передачи данных в том числе и при построении систем на кристалле.

– Скорость и пропускная способность: обсуждаемые системы обладают высокой скоростью передачи данных и большей пропускной способностью по сравнению с полупроводниковыми устройствами. Это позволяет создавать системы с потенциалом обрабатывать бОльшие объемы данных быстрее и эффективнее.

– Высокоинтегрированные фотонные интегральные схемы потребляют меньше энергии по сравнению с полупроводниковыми устройствами. Это позволяет увеличить эффективность энергопотребления и продлить время работы устройства.

Фотонные системы обладают высокой устойчивостью к помехам, таким как электромагнитные воздействия, по сравнению с полупроводниковыми устройствами.

Одним из ключевых аспектов развития интегральной фотоники является разработка и использование базовых элементов, обеспечивающих возможность интеграции различных функциональных компонентов на одном чипе. Мы рассмотрим современные технологии, находящиеся в фокусе данной книги, которые позволяют достичь высокой эффективности интегрированных фотонных устройств. Эти технологии включают в себя использование волноводов, микрорезонаторов, модулирующих элементов и фотодетекторов, основанных на различных материалах и структурах. Исследования в области базовых элементов интегральной фотоники открывают новые перспективы для создания компактных и энергоэффективных оптических систем, способных решать широкий спектр задач в сферах связи, информационных технологий и медицины.

С развитием технологий и появлением новых потребностей, стало очевидно, что для достижения еще большей гибкости и эффективности требуется переход к программируемой интегральной фотонике. Это новое направление исследований и разработок позволяет создавать оптические системы, которые можно программировать и перестраивать на лету, открывая новые возможности для коммуникаций, вычислений и сенсорики. Программируемая интегральная фотоника представляет собой следующий этап в эволюции оптических технологий, который обещает революционизировать наши возможности в области передачи информации и обработки данных.

В данной книге мы отдельно затронем концепцию программируемой интегрированной фотоники. Это технология позволяет создавать интегрированные фотонные схемы, которые могут быть перепрограммированы для выполнения различных задач. Это означает, что оптические компоненты могут быть настроены на определенные функции с помощью программного обеспечения, что делает их более гибкими и адаптивными к различным приложениям.

В области фотоники, подход программируемой интегральной фотоники призван дополнить доминирующий в последние годы подход, основанный на ASPIC. Это позволит использовать универсальные свойства данного подхода и достичь преимуществ, аналогичных тем, которые предоставляют ПЛИС по сравнению с ASIC в электронике.

Программируемая интегральная фотоника вызывает интерес многих исследовательских групп по всему миру благодаря появлению новых приложений, которые требуют гибкости, реконфигурируемости, а также недорогих, компактных и малопотребляющих устройств.

Одной из областей, в которой проведены значительные работы, является квантовые информационные технологии. Программируемая интегральная фотоника может открыть путь к крупномасштабным квантовым затворам и схемам выборки бозонов на основе унитарных матричных преобразований.

В области телекоммуникаций программируемая интегральная фотоника может быть использована для реализации ряда функций обработки сигналов. Например, для создания преобразователей произвольных мод, устройств сопряжения с волоконно-оптическими сетями и широкополосных коммутаторов. Эти устройства также могут стать основой для компьютерных соединений.

В области сенсорики программируемая интегральная фотоника может привести к созданию общего класса программируемых измерительных устройств. Они могут быть успешно интегрированы в качестве составных элементов в будущий Интернет вещей

Вот несколько преимуществ фотонных микросхем по сравнению с кремниевыми микросхемами:

Высокая скорость передачи данных: Интегральная фотоника позволяет передавать данные на гораздо большие расстояния и со значительно более высокой скоростью, чем кремниевые микросхемы. Это особенно полезно для коммуникаций на большие расстояния или при работе с огромными объемами данных.

Низкое потребление энергии: Поскольку световые сигналы имеют намного меньшую диссипацию энергии по сравнению с электрическими, фотонные микросхемы потребляет гораздо меньше энергии при выполнении вычислений или передаче данных. Это может быть особенно важным для устройств, работающих от батарей или требующих минимального потребления энергии.

Большая пропускная способность: фотонные микросхемы обеспечивает большую пропускную способность данных, что означает возможность передавать и обрабатывать гораздо большие объемы информации одновременно. Это особенно полезно в сферах высокоскоростной связи, облачных вычислений и научных исследований.

Меньше электромагнитных помех: Световые сигналы не подвержены электрическим или магнитным помехам, которые могут возникать в кремниевых микросхемах. Это позволяет более надежно передавать данные без потерь или искажений из-за воздействия внешних факторов.