Fotonica del silicio - Silicon photonics
La fotonica del silicio è lo studio e l'applicazione di sistemi fotonici che utilizzano il silicio come mezzo ottico . Il silicio è solitamente modellato con precisione sub-micrometrica , in componenti microfotonici . Questi operano nell'infrarosso , più comunemente alla lunghezza d'onda di 1,55 micrometri utilizzata dalla maggior parte dei sistemi di telecomunicazione in fibra ottica . Il silicio si trova tipicamente sopra uno strato di silice in quello che (per analogia con una costruzione simile in microelettronica ) è noto come silicio su isolante (SOI).
I dispositivi fotonici al silicio possono essere realizzati utilizzando le tecniche di fabbricazione dei semiconduttori esistenti e poiché il silicio è già utilizzato come substrato per la maggior parte dei circuiti integrati , è possibile creare dispositivi ibridi in cui i componenti ottici ed elettronici sono integrati su un singolo microchip. Di conseguenza, la fotonica del silicio viene attivamente ricercata da molti produttori di elettronica tra cui IBM e Intel , nonché da gruppi di ricerca accademici, come mezzo per tenere il passo con la legge di Moore , utilizzando interconnessioni ottiche per fornire un trasferimento di dati più veloce sia tra che all'interno dei microchip .
La propagazione della luce attraverso i dispositivi al silicio è governata da una serie di fenomeni ottici non lineari tra cui l' effetto Kerr , l' effetto Raman , l' assorbimento di due fotoni e le interazioni tra fotoni e portatori di carica libera . La presenza di non linearità è di fondamentale importanza, in quanto consente alla luce di interagire con la luce, consentendo applicazioni come la conversione della lunghezza d'onda e il routing del segnale completamente ottico, oltre alla trasmissione passiva della luce.
Le guide d'onda in silicio sono anche di grande interesse accademico, grazie alle loro proprietà di guida uniche, possono essere utilizzate per comunicazioni, interconnessioni, biosensori e offrono la possibilità di supportare fenomeni ottici non lineari esotici come la propagazione di solitoni .
Applicazioni
Comunicazioni ottiche
In un tipico collegamento ottico, i dati vengono prima trasferiti dal dominio elettrico a quello ottico utilizzando un modulatore elettro-ottico o un laser a modulazione diretta. Un modulatore elettro-ottico può variare l'intensità e/o la fase della portante ottica. Nella fotonica del silicio, una tecnica comune per ottenere la modulazione consiste nel variare la densità dei portatori di carica libera. Variazioni di densità di elettroni e lacune cambiano la parte reale e immaginaria dell'indice di rifrazione del silicio come descritto dalle equazioni empiriche di Soref e Bennett. I modulatori possono essere costituiti sia da diodi PIN polarizzati in avanti , che generalmente generano grandi sfasamenti ma soffrono di velocità inferiori, sia da giunzioni PN polarizzate inversamente . È stato dimostrato un prototipo di interconnessione ottica con modulatori a microring integrati con rivelatori al germanio. I modulatori non risonanti, come gli interferometri Mach-Zehnder , hanno dimensioni tipiche nell'intervallo millimetrico e sono solitamente utilizzati nelle applicazioni di telecomunicazione o trasmissione dati. I dispositivi risonanti, come i risonatori ad anello, possono avere dimensioni di poche decine di micrometri, occupando quindi aree molto più piccole. Nel 2013, i ricercatori hanno dimostrato un modulatore di esaurimento risonante che può essere fabbricato utilizzando processi di produzione standard di silicio su isolante complementare a ossido di metallo-semiconduttore (SOI CMOS). Un dispositivo simile è stato dimostrato anche in bulk CMOS piuttosto che in SOI.
Sul lato ricevitore, il segnale ottico viene tipicamente riconvertito nel dominio elettrico utilizzando un fotorivelatore a semiconduttore . Il semiconduttore utilizzato per la generazione dei portatori ha solitamente una banda proibita più piccola dell'energia del fotone e la scelta più comune è il germanio puro. La maggior parte dei rivelatori utilizza una giunzione PN per l'estrazione del vettore, tuttavia, i rivelatori basati su giunzioni metallo-semiconduttore (con germanio come semiconduttore) sono stati integrati anche nelle guide d'onda di silicio. Più recentemente, sono stati fabbricati fotodiodi a valanga di silicio-germanio in grado di funzionare a 40 Gbit/s. Ricetrasmettitori completi sono stati commercializzati sotto forma di cavi ottici attivi.
Le comunicazioni ottiche sono classificate convenientemente dalla portata, o lunghezza, dei loro collegamenti. La maggior parte delle comunicazioni fotoniche al silicio è stata finora limitata alle applicazioni di telecomunicazione e trasmissione dati, dove la portata è rispettivamente di diversi chilometri o diversi metri.
La fotonica del silicio, tuttavia, dovrebbe svolgere un ruolo significativo anche nel computercom, dove i collegamenti ottici hanno una portata nell'intervallo da centimetri a metri. In effetti, il progresso della tecnologia informatica (e la continuazione della legge di Moore ) sta diventando sempre più dipendente da un trasferimento di dati più veloce tra e all'interno dei microchip . Le interconnessioni ottiche possono fornire una soluzione e la fotonica al silicio può rivelarsi particolarmente utile, una volta integrata nei chip di silicio standard. Nel 2006, l'ex vicepresidente senior di Intel , Pat Gelsinger, ha dichiarato: "Oggi l'ottica è una tecnologia di nicchia. Domani, sarà il mainstream di ogni chip che costruiamo".
Il primo microprocessore con input/output ottico (I/O) è stato dimostrato nel dicembre 2015 utilizzando un approccio noto come fotonica CMOS a "cambio zero". Questa prima dimostrazione si basava su un nodo SOI a 45 nm e il collegamento chip-to-chip bidirezionale funzionava a una velocità di 2 × 2,5 Gbit/s. Il consumo energetico totale del collegamento è stato calcolato pari a 16 pJ/b ed è stato dominato dal contributo del laser off-chip.
Alcuni ricercatori ritengono che sia necessaria una sorgente laser su chip . Altri pensano che dovrebbe rimanere off-chip a causa di problemi termici (l'efficienza quantica diminuisce con la temperatura e i chip dei computer sono generalmente caldi) ea causa di problemi di compatibilità CMOS. Uno di questi dispositivi è il laser al silicio ibrido , in cui il silicio è legato a un diverso semiconduttore (come il fosfuro di indio ) come mezzo laser . Altri dispositivi includono un laser Raman interamente in silicio o un laser Brillouin interamente in silicio in cui il silicio funge da mezzo laser.
Nel 2012, IBM ha annunciato di aver realizzato componenti ottici su una scala di 90 nanometri che possono essere prodotti utilizzando tecniche standard e incorporati in chip convenzionali. Nel settembre 2013, Intel ha annunciato la tecnologia per trasmettere dati a velocità di 100 gigabit al secondo lungo un cavo di circa cinque millimetri di diametro per collegare i server all'interno dei data center. I cavi dati PCI-E convenzionali trasportano dati fino a otto gigabit al secondo, mentre i cavi di rete raggiungono i 40 Gbit/s. L'ultima versione dello standard USB raggiunge i dieci Gbit/s. La tecnologia non sostituisce direttamente i cavi esistenti in quanto richiede un circuito separato per l'interconversione dei segnali elettrici e ottici. La sua velocità avanzata offre la possibilità di ridurre il numero di cavi che collegano i blade su un rack e persino di separare processore, storage e memoria in blade separati per consentire un raffreddamento più efficiente e una configurazione dinamica.
I fotorilevatori al grafene hanno il potenziale per superare i dispositivi al germanio in diversi aspetti importanti, sebbene rimangano circa un ordine di grandezza indietro rispetto alla capacità di generazione attuale, nonostante il rapido miglioramento. I dispositivi al grafene possono funzionare a frequenze molto elevate e, in linea di principio, potrebbero raggiungere larghezze di banda più elevate. Il grafene può assorbire una gamma più ampia di lunghezze d'onda rispetto al germanio. Tale proprietà potrebbe essere sfruttata per trasmettere più flussi di dati contemporaneamente nello stesso fascio di luce. A differenza dei rilevatori al germanio, i fotorilevatori al grafene non richiedono tensione applicata, il che potrebbe ridurre il fabbisogno energetico. Infine, i rivelatori di grafene in linea di principio consentono un'integrazione su chip più semplice e meno costosa. Tuttavia, il grafene non assorbe fortemente la luce. L'associazione di una guida d'onda in silicio con un foglio di grafene indirizza meglio la luce e massimizza l'interazione. Il primo dispositivo di questo tipo è stato dimostrato nel 2011. La produzione di tali dispositivi utilizzando tecniche di produzione convenzionali non è stata dimostrata.
Router ottici e processori di segnale
Un'altra applicazione della fotonica al silicio è nei router di segnale per la comunicazione ottica . La costruzione può essere notevolmente semplificata fabbricando le parti ottiche ed elettroniche sullo stesso chip, piuttosto che distribuirle su più componenti. Uno scopo più ampio è l'elaborazione del segnale completamente ottica, per cui compiti che vengono convenzionalmente eseguiti manipolando segnali in forma elettronica vengono eseguiti direttamente in forma ottica. Un esempio importante è la commutazione completamente ottica , per cui l'instradamento dei segnali ottici è controllato direttamente da altri segnali ottici. Un altro esempio è la conversione completamente ottica della lunghezza d'onda.
Nel 2013, una startup denominata "Compass-EOS", con sede in California e in Israele , è stata la prima a presentare un router commerciale silicio-fotonica.
Telecomunicazioni a lungo raggio che utilizzano la fotonica al silicio
La microfotonica al silicio può potenzialmente aumentare la capacità di larghezza di banda di Internet fornendo dispositivi su microscala ea bassissima potenza. Inoltre, il consumo di energia dei data center può essere notevolmente ridotto se questo viene raggiunto con successo. I ricercatori di Sandia , Kotura, NTT , Fujitsu e vari istituti accademici hanno cercato di dimostrare questa funzionalità. Un documento del 2010 riportava un prototipo di trasmissione di 80 km, 12,5 Gbit/s utilizzando dispositivi di silicio microring.
Display a campo luminoso
A partire dal 2015, la startup statunitense Magic Leap sta lavorando su un chip a campo luminoso che utilizza la fotonica del silicio allo scopo di visualizzare la realtà aumentata .
Reti neurali artificiali
Aziende come la statunitense Lightmatter stanno sviluppando chip fotonici specializzati nell'elaborazione di calcoli di moltiplicazione di matrici utilizzati nei modelli di apprendimento automatico neurale .
Proprietà fisiche
Guida ottica e personalizzazione della dispersione
Il silicio è trasparente alla luce infrarossa con lunghezze d'onda superiori a circa 1,1 micrometri. Il silicio ha anche un indice di rifrazione molto alto , di circa 3,5. Lo stretto confinamento ottico fornito da questo indice elevato consente guide d'onda ottiche microscopiche , che possono avere dimensioni in sezione trasversale di poche centinaia di nanometri . Si può ottenere la propagazione monomodale, eliminando così (come la fibra ottica monomodale ) il problema della dispersione modale .
I forti effetti di confine dielettrici che risultano da questo stretto confinamento alterano sostanzialmente la relazione di dispersione ottica . Selezionando la geometria della guida d'onda, è possibile adattare la dispersione alle proprietà desiderate, che è di importanza cruciale per le applicazioni che richiedono impulsi ultracorti. In particolare, la dispersione della velocità di gruppo (cioè la misura in cui la velocità di gruppo varia con la lunghezza d'onda) può essere strettamente controllata. Nel silicio sfuso a 1,55 micrometri, la dispersione della velocità di gruppo (GVD) è normale in quanto gli impulsi con lunghezze d'onda maggiori viaggiano con velocità di gruppo maggiori rispetto a quelli con lunghezza d'onda più corta. Selezionando una geometria della guida d'onda adeguata, tuttavia, è possibile invertire questa tendenza e ottenere un GVD anomalo , in cui gli impulsi con lunghezze d'onda più brevi viaggiano più velocemente. La dispersione anomala è significativa, in quanto è un prerequisito per la propagazione di solitoni e l' instabilità modulazionale .
Affinché i componenti fotonici di silicio rimangano otticamente indipendenti dalla massa di silicio del wafer su cui sono fabbricati, è necessario disporre di uno strato di materiale intermedio. Di solito è silice , che ha un indice di rifrazione molto più basso (di circa 1,44 nella regione della lunghezza d'onda di interesse), e quindi la luce all'interfaccia silicio-silice (come la luce all'interfaccia silicio-aria) subirà una riflessione interna totale , e rimanere nel silicio. Questo costrutto è noto come silicio su isolante. Prende il nome dalla tecnologia del silicio su isolante nell'elettronica, per cui i componenti sono costruiti su uno strato di isolante per ridurre la capacità parassita e quindi migliorare le prestazioni.
Non linearità di Kerr
Il silicio ha una non linearità di Kerr di focalizzazione , in quanto l' indice di rifrazione aumenta con l'intensità ottica. Questo effetto non è particolarmente forte nel silicio sfuso, ma può essere notevolmente migliorato utilizzando una guida d'onda di silicio per concentrare la luce in un'area della sezione trasversale molto piccola. Ciò consente di vedere effetti ottici non lineari a basse potenze. La non linearità può essere ulteriormente migliorata utilizzando una guida d'onda a fessura , in cui l'alto indice di rifrazione del silicio viene utilizzato per confinare la luce in una regione centrale riempita con un polimero fortemente non lineare .
La non linearità di Kerr è alla base di un'ampia varietà di fenomeni ottici. Un esempio è la miscelazione a quattro onde , che è stata applicata al silicio per realizzare amplificazione parametrica ottica , conversione parametrica della lunghezza d'onda e generazione di pettini di frequenza.,
La non linearità di Kerr può anche causare instabilità modulazionale , in cui rinforza le deviazioni da una forma d'onda ottica, portando alla generazione di bande laterali spettrali e all'eventuale rottura della forma d'onda in un treno di impulsi. Un altro esempio (come descritto di seguito) è la propagazione di solitoni.
Assorbimento a due fotoni
Il silicio mostra un assorbimento a due fotoni (TPA), in cui una coppia di fotoni può agire per eccitare una coppia elettrone-lacuna . Questo processo è correlato all'effetto Kerr e, per analogia con l'indice di rifrazione complesso , può essere pensato come la parte immaginaria di una non linearità di Kerr complessa . Alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni di 1,55 micrometri, questa parte immaginaria è circa il 10% della parte reale.
L'influenza del TPA è altamente distruttiva, poiché spreca sia luce che genera calore indesiderato . Può essere mitigato, tuttavia, passando a lunghezze d'onda più lunghe (alle quali il rapporto TPA/Kerr scende) o utilizzando guide d'onda a fessura (in cui il materiale non lineare interno ha un rapporto TPA/Kerr inferiore). In alternativa, l'energia persa attraverso il TPA può essere parzialmente recuperata (come descritto di seguito) estraendola dai portatori di carica generati.
Interazioni con l'operatore gratuite
I portatori di carica liberi all'interno del silicio possono sia assorbire fotoni che cambiare il suo indice di rifrazione. Ciò è particolarmente significativo ad alte intensità e per lunghi periodi, a causa della concentrazione di portatori accumulata dal TPA. L'influenza dei vettori gratuiti è spesso (ma non sempre) indesiderata e sono stati proposti vari mezzi per rimuoverli. Uno di questi schemi consiste nell'impiantare il silicio con l' elio per migliorare la ricombinazione del vettore . È inoltre possibile utilizzare un'adeguata scelta della geometria per ridurre la durata del supporto. Le guide d'onda a nervature (in cui le guide d'onda sono costituite da regioni più spesse in uno strato di silicio più ampio) migliorano sia la ricombinazione dei portatori all'interfaccia silice-silicio sia la diffusione dei portatori dal nucleo della guida d'onda.
Uno schema più avanzato per la rimozione delle portanti consiste nell'integrare la guida d'onda nella regione intrinseca di un diodo PIN , che è polarizzata inversamente in modo che le portanti siano attratte dal nucleo della guida d'onda. Uno schema ancora più sofisticato consiste nell'utilizzare il diodo come parte di un circuito in cui tensione e corrente sono sfasate, consentendo così di estrarre energia dalla guida d'onda. La fonte di questa potenza è la luce persa per assorbimento di due fotoni, quindi recuperandone una parte, è possibile ridurre la perdita netta (e la velocità con cui viene generato il calore).
Come accennato in precedenza, gli effetti portanti a carica libera possono essere utilizzati anche in modo costruttivo, al fine di modulare la luce.
Non linearità del secondo ordine
Non linearità del secondo ordine non possono esistere nel silicio sfuso a causa della centrosimmetria della sua struttura cristallina. Applicando la deformazione, tuttavia, la simmetria di inversione del silicio può essere rotta. Ciò può essere ottenuto ad esempio depositando uno strato di nitruro di silicio su un sottile film di silicio. I fenomeni non lineari del secondo ordine possono essere sfruttati per la modulazione ottica , la conversione parametrica spontanea , l' amplificazione parametrica , l'elaborazione del segnale ottico ultraveloce e la generazione del medio infrarosso . Tuttavia, una conversione non lineare efficiente richiede la corrispondenza di fase tra le onde ottiche coinvolte. Le guide d'onda non lineari di secondo ordine basate su silicio deformato possono ottenere l' adattamento di fase mediante l' ingegneria della dispersione . Finora, tuttavia, le dimostrazioni sperimentali si basano solo su progetti che non sono abbinati in fase . È stato dimostrato che l' adattamento di fase può essere ottenuto anche in guide d'onda in silicio a doppia fessura rivestite con un rivestimento organico altamente non lineare e in guide d'onda in silicio periodicamente deformate.
L'effetto Raman
Il silicio presenta l' effetto Raman , in cui un fotone viene scambiato con un fotone con un'energia leggermente diversa, corrispondente ad un'eccitazione o un rilassamento del materiale. La transizione Raman del silicio è dominata da un singolo picco di frequenza molto stretto, che è problematico per i fenomeni a banda larga come l' amplificazione Raman , ma è vantaggioso per i dispositivi a banda stretta come i laser Raman . I primi studi sull'amplificazione Raman e sui laser Raman sono iniziati presso l'UCLA che hanno portato alla dimostrazione di amplificatori Raman al silicio a guadagno netto e laser Raman pulsato al silicio con risonatore in fibra (Optics express 2004). Di conseguenza, i laser Raman interamente in silicio sono stati fabbricati nel 2005.
L'effetto Brillouin
Nell'effetto Raman, i fotoni sono spostati verso il rosso o verso il blu da fononi ottici con una frequenza di circa 15 THz. Tuttavia, le guide d'onda in silicio supportano anche le eccitazioni fononiche acustiche . L'interazione di questi fononi acustici con la luce è chiamata diffusione di Brillouin . Le frequenze e le forme modali di questi fononi acustici dipendono dalla geometria e dalle dimensioni delle guide d'onda in silicio, rendendo possibile la produzione di forti scattering Brillouin a frequenze che vanno da pochi MHz a decine di GHz. Lo scattering Brillouin stimolato è stato utilizzato per realizzare amplificatori ottici a banda stretta e laser Brillouin interamente in silicio. L'interazione tra fotoni e fononi acustici è studiata anche nel campo dell'optomeccanica delle cavità , sebbene non siano necessarie cavità ottiche 3D per osservare l'interazione. Ad esempio, oltre alle guide d'onda in silicio, l'accoppiamento optomeccanico è stato dimostrato anche nelle fibre e nelle guide d'onda calcogenuri.
Solitoni
L'evoluzione della luce attraverso le guide d'onda di silicio può essere approssimata con un'equazione di Schrödinger cubica non lineare , che è notevole per ammettere soluzioni solitoniche tipo sech . Questi solitoni ottici (che sono anche noti nelle fibre ottiche ) derivano da un equilibrio tra l' auto modulazione di fase (che provoca il redshift del fronte dell'impulso e il blueshift del fronte di uscita) e la dispersione anomala della velocità di gruppo. Tali solitoni sono stati osservati nelle guide d'onda di silicio, da gruppi presso le università di Columbia , Rochester e Bath .