Интегральная Фотоника

Использование новых материалов: Интегральная фотоника открывает двери для использования новых материалов со свойствами оптики, таких как наночастицы или квантовые точки. Это может привести к развитию более компактных устройств с расширенными функциональными возможностями.

В целом, интегральная фотоника представляет собой перспективную технологию со значительными преимуществами в компактности, скорости передачи данных и широких возможностей применения.

Актуальное состояние и ближайшие перспективы

Международная исследовательская группа под руководством профессора Павлоса Лагудакиса из лаборатории гибридной фотоники Сколтеха создала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, который не требует охлаждения и демонстрирует скорость около 1 триллиона операций в секунду, что примерно в 100-1000 раз быстрее современных высококачественных коммерческих транзисторов.

Фотонные транзисторы имеют потенциал быть значительно более эффективными и быстрыми по сравнению с традиционными коммерческими транзисторами. Это связано с использованием фотопроводимости и контролем пропускания света для управления потоком носителей заряда.

Хотя путь предстоит долгий, но перспективы фотоники выглядит многообещающе. По сути, фотоника представляет собой аналог электроники, только вместо электронов используются кванты электромагнитного поля – фотоны.

Процессы в фотонных микросхемах проходят с существенно меньшим энергопотреблением, а значит бо́льшим потенциалом миниатюризации.

Новый фотонный переключатель может выступать в роли транзистора или устройства передачи данных на оптических каналах связи (на порядок увеличивая пропускную способность канала). Он также может служить в качестве усилителя, повышая интенсивность входящего лазерного луча в 23 000 раз, сказано в научной работе.

Современные серийные решения на базе фотонных микросхем

На сегодняшний день на рынке доступны различные серийные микросхемы, основанные на технологиях интегральной фотоники. Некоторые из них включают:

Интегральные оптические модули (ИОМ): компактные устройства, объединяющие несколько оптических компонентов, таких как лазеры, модуляторы и фотоприемники, на одном чипе. Они широко используются в оптической связи для передачи данных с высокой скоростью.

Интегрально-оптические коммутаторы: микросхемы, которые позволяют переключать или маршрутизировать оптический сигнал по различным каналам или портам. Они обладают высоким быстродействием и эффективностью и применяются в системах связи и коммутации данных.

Фотонные процессоры: микросхемы, способные выполнять операции обработки сигнала непосредственно в оптическом домене без конвертирования его в электрическую форму. Они имеют большой потенциал для обработки больших объемов данных с высокой скоростью и применяются в областях, таких как оптическая коммуникация и вычислительные системы.

Интегрально-оптические фильтры: микросхемы, которые позволяют выбирать определенный диапазон частот или длины волны из оптического спектра. Они используются в различных приложениях, включая спектроскопию, медицинскую диагностику и светофорную сигнализацию.

Фотонные усилители: Это микросхемы, которые усиливают слабый оптический сигнал без его конвертирования в электрическую форму. Они широко применяются в оптической связи для компенсации потерь на расстояниях передачи.

Развитие этой технологии продолжается, и ожидается появление новых продуктов и решений для различных приложений в будущем.

Крупные производители Интегральных оптических модулей (ИОМ)

Finisar: Finisar является одним из крупнейших производителей оптических компонентов и модулей, включая ИОМ. Они предлагают широкий спектр продуктов для различных приложений в сферах связи, хранения данных и промышленности.

Lumentum: Lumentum также является крупным поставщиком оптических технологий и продуктов, включая ИОМ. Они предоставляют инновационные решения для области связи, лидара, медицины и других отраслей.

NeoPhotonics: NeoPhotonics специализируется на разработке и производстве высокоскоростных оптических компонентов и модулей, включая ИОМ. Они предлагают широкий ассортимент продукции для передачи данных на длинах волн от 100 Гб/с до 400 Гб/с.

Oclaro: Oclaro также является лидером на рынке оптической коммуникации и предоставляет различные ИОМ для широкого спектра приложений. Они известны своими прецизионными оптическими компонентами и модулями высокой производительности.

Broadcom: Broadcom является крупнейшим в мире поставщиком полупроводниковых решений, включая интегральную фотонику. Они предлагают различные ИОМ для использования в сетях передачи данных и других коммуникационных системах.

Существуют также ряд других компаний, которые предоставляют подобные продукты и технологии.

Finisar предлагает ряд изделий высокой степени интеграции на базе кристалла интегрального оптического модуля (ИОМ). Некоторые из них включают:

Волоконные трансиверы: Finisar производит различные типы волоконных трансиверов, такие как SFP, QSFP и CFP модули, которые объединяют функции передатчика и приемника в одном компактном корпусе.

Коммутаторы: Фирма также предлагает коммутаторы с высокой плотностью портов на основе ИОМ. Эти коммутаторы обеспечивают быстрый и эффективный обмен данными между множеством устройств или серверов.

Активные оптические кабели: Finisar производит активные оптические кабели (AOC) с использованием ИОМ для высокоскоростной передачи данных на коротких расстояниях. Это позволяет достичь более низкой задержки и потерь сигнала по сравнению со стандартными медными кабелями.

Пассивная оптика: Организация предлагает различные пассивные оптические компоненты, такие как сплиттеры и световодные делители на базе ИОМ. Эти компоненты позволяют разделить или комбинировать оптический сигнал без потери качества.

Модули передачи данных: Finisar также производит модули передачи данных для высокоскоростной связи внутри центров обработки данных (ЦОД) и других сетевых приложений. Эти модули основаны на ИОМ и предоставляют быструю и надежную передачу информации.

Lumentum является ведущим производителем изделий высокой степени интеграции на базе кристалла интегрального оптического модуля (ИОМ).

Волоконные трансиверы: Lumentum предлагает широкий спектр волоконных трансиверов, таких как SFP, QSFP и CFP модули. Они обеспечивают передачу данных на высоких скоростях и поддерживают различные протоколы связи.

Туннельные диоды: Компания производит ИОМ с использованием туннельных диодов для генерации мощных оптических импульсов или формирования лазерных пучков с узким спектром.

Лазерные модули: Lumentum разрабатывает и поставляет лазерные модули различной мощности, работающие в видимом или ближнем ИК-диапазонах. Эти модули используются во многих приложениях, таких как связь на большие расстояния или точное позиционирование.

Фотоприемники: Компания предлагает фотоприемники на базе ИОМ, которые преобразуют оптический сигнал в электрический. Они обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном рабочих частот.

Коммутационные матрицы: Lumentum также производит коммутационные матрицы на основе ИОМ для управления и маршрутизации оптического трафика в сетях связи или центрах обработки данных.

NeoPhotonics является ведущим производителем изделий высокой степени интеграции на базе кристалла интегрального оптического модуля (ИОМ).

Интегральные оптические трансиверы: NeoPhotonics предлагает широкий спектр оптических трансиверов, таких как SFP, QSFP и CFP модули. Они обладают высокой плотностью интеграции и поддерживают передачу данных на высоких скоростях.

Когерентные приемо-передатчики: Компания разрабатывает когерентные приемо-передатчики на базе ИОМ для использования в системах связи с более сложными формами модуляции. Эти устройства обеспечивают высокую пропускную способность и дальность передачи.

Модули переменных амплитудных решеточных фильтров (VLC): NeoPhotonics производит ИОМ с VLC фильтрами для многовариантной передачи сигнала по одному каналу связи. Это позволяет повышать эффективность использования оптического спектра.

Интегральные волноводы: Компания предлагает различные типы интегральных волноводов на базе ИОМ, такие как сгибаемые или многослойные структуры. Это позволяет эффективно управлять и направлять оптический сигнал.

Oclaro является ведущим производителем изделий высокой степени интеграции на базе кристалла интегрального оптического модуля (ИОМ).

Интегральные оптические трансиверы: Oclaro предлагает широкий спектр оптических трансиверов, таких как SFP, QSFP и CFP модули. Они обладают высокой плотностью интеграции и поддерживают передачу данных на высоких скоростях.

Когерентные приемо-передатчики: Компания разрабатывает когерентные приемо-передатчики на базе ИОМ для использования в системах связи с более сложными формами модуляции. Эти устройства обеспечивают высокую пропускную способность и дальность передачи.

Модули переменных амплитудных решеточных фильтров (VLC): Oclaro производит ИОМ с VLC фильтрами для многовариантной передачи сигнала по одному каналу связи. Это позволяет повышать эффективность использования оптического спектра.

Интегральные волноводы: Компания предлагает различные типы интегральных волноводов на базе ИОМ, такие как сгибаемые или многослойные структуры. Это позволяет эффективно управлять и направлять оптический сигнал.

Broadcom является ведущим производителем изделий высокой степени интеграции на базе кристалла интегрального оптического модуля (ИОМ).

Оптические трансиверы: Broadcom предлагает широкий спектр оптических трансиверов, таких как SFP, QSFP и CFP модули. Эти устройства обладают высокой плотностью интеграции и обеспечивают передачу данных на высоких скоростях.

Когерентные приемо-передатчики: Компания разрабатывает когерентные приемо-передатчики на базе ИОМ для использования в системах связи с более сложными формами модуляции. Это позволяет достигать высокой пропускной способности и дальности передачи.

100G/400G PAM4 модули: Broadcom выпускает ИОМ с поддержкой PAM4 (четверичное амплитудно-манифестное кодирование) для передачи данных со скоростями 100 Гбит/с и 400 Гбит/с. Это позволяет повышать эффективность использования оптического спектра.

Интегральные волноводы: Компания предлагает различные типы интегральных волноводов на базе ИОМ, такие как сгибаемые или многослойные структуры. Это позволяет эффективно управлять и направлять оптический сигнал.

Современные устройства на базе ОИМ

Оптические трансиверы – это устройства, которые комбинируют функции оптического передатчика и приемника в одном модуле. Они являются ключевыми компонентами для передачи данных по оптоволокнам в сетях связи.

Принцип работы оптических трансиверов основан на преобразовании электрического сигнала в оптический и обратно. Вот основные этапы работы:

Преобразование электрического сигнала: Оптический трансивер получает электрический сигнал от активного элемента (например, микросхемы или процессора) через электрический интерфейс. Это может быть стандартный интерфейс Ethernet, InfiniBand или другой протокол связи.

Модуляция света: Электрический сигнал затем подается на лазерный диод или полупроводниковый лазер внутри оптического трансивера. Лазер генерирует когерентную световую волну, которая представляет собой носитель информации.

Предварительная обработка и усиление: Оптический сигнал проходит через различные оптические компоненты, такие как модуляторы и усилители, чтобы повысить его мощность и качество передачи.

Передача по оптоволокну: Интенсивность световой волны изменяется в соответствии с электрическим сигналом данных. Оптическая волна затем направляется на оптоволокно, где она распространяется на большие расстояния без значительных потерь.

Принятие и декодирование: На другом конце оптоволоконного кабеля приемник трансивера принимает световую волну и превращает ее обратно в электрический сигнал. С помощью фотоприемника (фотодиода или фотодетектора) свет преобразуется в электричество.

Обработка полученного сигнала: Электрический сигнал подвергается дальнейшей обработке для удаления шума, увеличения амплитуды или регенерации данных перед отправкой на активное устройство назначения.

Описанный выше процесс повторяется для каждого бита данных, передаваемого по оптоволокну. Оптические трансиверы позволяют достичь высоких скоростей передачи данных и обеспечить надежную связь в сетях связи.

Когерентные приемо-передатчики – это устройства, используемые в оптической связи для передачи и приема сигналов по оптоволокну с использованием техники когерентного детектирования. Они позволяют достичь высоких скоростей передачи данных и обеспечить более эффективное использование пропускной способности оптоволоконных каналов.

Принцип работы когерентных приемо-передатчиков основан на модуляции и детектировании фазы и амплитуды оптического сигнала. Вот основные этапы работы:

Генерация лазера: Когерентный приемо-передатчик содержит генератор лазера, который создает стабильную когерентную световую волну нужной частоты и мощности.

Модуляция света: Электрический сигнал данных подается на модулятор, который изменяет фазу или амплитуду создаваемой лазером оптической волны в соответствии с передаваемыми данными.

Усиление и расширение спектра: Однопрочностная (single-sideband) моделировка использует так называемый амплитудный манифест. После модуляции сигнала оптическая волна проходит через усилитель для повышения его мощности и затем подвергается расширению спектра, что позволяет более эффективно использовать пропускную способность канала.

Передача по оптоволокну: Измененная оптическая волна направляется на оптоволоконный кабель, где она передается на большие расстояния без значительных потерь.

Принимаемый сигнал: На другом конце оптоволоконного кабеля приемник трансивера получает измененную световую волну и использует фотодиод или фотодетектор для детектирования ее фазы и амплитуды.

Когерентное детектирование: Используя специальные методы обработки сигнала, такие как гомодинная демодуляция или цифровая обработка сигнала (DSP), полученный оптический сигнал превращается в электрический формат данных для последующей обработки.

Обработка и извлечение информации: Электрический сигнал проходит через различные этапы обработки, включая фильтрацию, усиление и декодирование данных. Затем информация извлекается и передается на активное устройство назначения.

Когерентные приемо-передатчики позволяют достичь высокой скорости передачи данных, а также обеспечить более эффективное использование пропускной способности оптоволоконных каналов благодаря возможности детектирования и использования фазовой информации сигнала.

100G/400G PAM4 модули являются одним из ключевых элементов современных оптических коммуникационных систем. Они используют технику модуляции PAM4 (Pulse Amplitude Modulation with 4 levels) для передачи данных на скоростях 100 Гбит/с и 400 Гбит/с.

Принцип работы этих модулей основан на изменении амплитуды импульсов света, чтобы кодировать информацию. В отличие от более простой техники двоичной амплитудной модуляции (BAM), где каждый символ представлен одним уровнем амплитуды, в PAM4 каждый символ представлен четырьмя уровнями амплитуды.

Для достижения этого используются высокоскоростные лазерные диоды или лазерный источник света, способные создавать короткие и интенсивные импульсы света. Эти импульсы проходят через оптическое волокно и приходят к фотоприемнику, который обратно преобразует оптический сигнал в электрический сигнал.

На стороне приемника сигнала проводится обработка и демодуляция сигнала PAM4, чтобы извлечь передаваемую информацию. Для этого используются специальные алгоритмы обработки сигнала, такие как линейное сочетание (linear equalization) и решающее устройство (decision device), которые позволяют достичь высокой скорости передачи данных.

100G/400G PAM4 модули имеют большую пропускную способность по сравнению с более старыми технологиями модуляции, такими как NRZ (Non-Return to Zero). Они могут быть использованы в различных приложениях связи, включая центры обработки данных (data centers), телекоммуникационные системы и другие высокоскоростные оптические коммуникационные системы.

Интегральные волноводы являются ключевыми компонентами фотоники, которые позволяют управлять и направлять поток света на кристаллическом чипе. Они основаны на принципе распространения оптической энергии в виде электромагнитных волн по специально созданным структурам.

Принцип работы интегральных волноводов базируется на использовании оптического явления, называемого полным отражением. Полное отражение происходит при переходе света из среды с более высоким показателем преломления (обычно это материал подложки) в среду с более низким показателем преломления (например, слой фоторезиста). В результате этого явления свет остается запертым и может быть направлен по определенной траектории.

Основная конструкция интегрального волновода состоит из двух или более слоев материала с различными показателями преломления. Обычно используются методы литографии и химической обработки для создания этих структур на поверхности кристаллического чипа. В результате получается плоский волновод, где свет распространяется вдоль определенной траектории.

Интегральные волноводы могут быть различных типов, таких как прямые (straight), изгибаемые (bent) или спиральные (spiral). Это позволяет создавать разнообразные схемы и компоненты на основе этих структур, такие как делители мощности, фазовращатели, модуляторы и детекторы.

Принцип работы интегральных волноводов заключается в передаче и управлении светом по заданной траектории без значительных потерь. Они играют ключевую роль в современной фотонике для достижения высокой скорости передачи данных и минимизации помех при обработке оптических сигналов.

Устройства для связи внутри платы, также известные как Co-packaged Optics (CPO), представляют собой технологию, которая интегрирует оптические модули непосредственно на поверхности чипа электронного устройства. Они обеспечивают высокую пропускную способность и малую задержку передачи данных на коротких расстояниях.

Принцип работы CPO основан на использовании компактных оптических модулей, которые содержат лазерный и фотодетекторный элементы, а также необходимую оптическую систему для направления светового потока. Эти модули размещены близко к процессорам или другим активным элементам на самой плате.

В процессе работы CPO использует волноводы для руководства светом от лазера до приемника. Волноводы могут быть выполнены из материалов с высоким показателем преломления, чтобы минимизировать потери сигнала. Лазер генерирует оптический сигнал, который затем направляется через волновод к фотодетектору. Фотодетектор преобразует оптический сигнал обратно в электрический, который затем может быть обработан процессором или другими устройствами на плате.

Преимущества работы CPO включают высокую пропускную способность, низкую задержку и малый размер. Они также позволяют достичь более компактного дизайна системы, что особенно важно для современных вычислительных устройств с большой плотностью компонентов. Кроме того, использование оптической связи помогает снизить потребление энергии и повысить производительность системы.

Принцип работы CPO отличается от традиционной оптики, где оптические модули располагаются отдельно от чипов на фотонических модулях. Вместо этого CPO интегрирует оптические функции прямо на самой плате или кристаллическом чипе, что делает его более эффективным и экономичным решением для коротких расстояний передачи данных внутри устройства.

Кроме основных принципов работы, можно дополнить описание устройств для связи внутри платы (CPO) следующими деталями:

Интеграция и упаковка: CPO-модули обычно интегрируются непосредственно на поверхности чипа или кристаллического модуля электронного устройства. Это может быть достигнуто с использованием различных техник микроэлектроники и оптической фотолитографии. Подходящая система связи может быть разработана таким образом, чтобы соответствовать требованиям конкретной аппаратной платформы.

Пассивное параллельное соединение: Одной из ключевых особенностей CPO является возможность создания массивных параллельных соединений, то есть одновременная передача нескольких оптических каналов данных между активными элементами на плате. Это значительно повышает пропускную способность и эффективность передачи данных внутри системы.

Управление сигналами: Для эффективного функционирования CPO требуются методы управления и контроля оптических сигналов. Это включает в себя мониторинг и регулировку мощности оптического сигнала, компенсацию потерь на расстоянии передачи и управление модуляцией для достижения требуемой скорости передачи данных.

Охлаждение: При высоких скоростях передачи данных может возникать проблема нагрева CPO-модулей. Для обеспечения надежной работы необходимы эффективные методы охлаждения, которые могут быть интегрированы в конструкцию платы или чипа.

Стандартизация: В настоящее время активно разрабатываются стандарты для CPO, чтобы обеспечить интероперабельность и совместимость различных производителей. Это поможет ускорить внедрение технологии и расширить ее применение в широком диапазоне приложений.

Устройства для связи внутри платы (CPO) представляют перспективную технологию для повышения производительности систем связи на коротких расстояниях. Их комбинация с другими новаторскими решениями, такими как фотонные кристаллы и метаматериалы, может привести к созданию более эффективных и компактных систем связи в будущем.

Коммутационная матрица (или коммутатор) – это устройство, используемое в телекоммуникационных и сетевых системах для управления потоками данных или сигналов между различными портами или каналами.

Принцип работы коммутационной матрицы основан на перенаправлении данных от одного порта к другому. Когда данные поступают на входную сторону коммутатора, он анализирует адрес назначения и принимает решение о передаче этих данных на соответствующий выходной порт. Для этого коммутационная матрица обычно имеет таблицу маршрутизации, которая содержит информацию о связях между входными и выходными портами.

Существуют разные типы коммутационных матриц, такие как:

Кросс-бар: Это самый распространенный тип коммутационной матрицы. Он состоит из двумерного массива переключателей (как правило, электромеханических или полупроводниковых), где каждый переключатель соединяет определенный входной порт с определенным выходным портом.

Матрица временного перемещения: Этот тип коммутационной матрицы используется в системах с временными мультиплексорами. Он основан на использовании временного разделения каналов, где каждый входной порт имеет свой временной слот для передачи данных на выходные порты.

Матрица пространственного перемещения: Этот тип коммутационной матрицы используется в оптических сетях и основан на использовании пространственного разделения каналов. Он позволяет одновременно обрабатывать несколько оптических потоков данных, например, при помощи чередующихся лучей или фазовых модуляторов.

Коммутационные матрицы играют важную роль в построении эффективных коммуникационных систем. Они обеспечивают быструю и надежную пересылку данных между устройствами или сегментами сети, что является ключевым элементом для достижения высокой скорости передачи данных и минимальных задержек при обмене информацией.

Кросс-бар на базе интегрированного фотонного чипа представляет собой коммутационную матрицу, где переключение оптических сигналов осуществляется с использованием компонентов фотоники на одном единственном кремниевом чипе.

Конструкция такого кросс-бара включает несколько ключевых элементов. Во-первых, на чипе присутствуют оптические волноводы, которые служат для направления световых сигналов от входных портов к выходным портам. Эти волноводы могут быть реализованы как полосковые (strip) или облачные (slot) структуры.

Во-вторых, на чипе располагаются переключатели или модуляторы фазы/интенсивности света. Они выполняют функцию управления потоками данных и позволяют перенаправлять оптический сигнал из одного входного порта в желаемый выходной порт. Переключатели могут быть реализованы различными способами, например при помощи электрооптического эффекта или активной модуляции индекса преломления.