Теги → фотоника
Быстрый переход

Учёные создали память, которая светится каждой ячейкой в зависимости от её состояния — это раздвинет горизонты оптоэлектроники

Японские учёные вместе с коллегами с Тайваня создали ячейку резистивной памяти ReRAM, состояние которой можно считывать одновременно электрическими и оптическими сигналами. Создать компактное устройство «два в одном» помог перовскит, слой которого как проводил электроны и удерживал заряд, так и излучал фотоны. Подобное свойство позволит увеличить производительность подсистемы памяти за счёт разделения задач и поможет в технологиях шифрования.

Источник изображения: Kyushu University/ Ya-Ju Lee

Источник изображения: Kyushu University/ Ya-Ju Lee

В принципе создать ячейку памяти для одновременного хранения и передачи данных электрическим способом и для сигнализации о состоянии ячейки излучением фотонов — это дело нехитрое. Учёные из Национального Тайваньского педагогического университета и Университета Кюсю поставили перед собой цель создать такую ячейку памяти в виде условно монолитного устройства, а не составного — из светодиодов и ячеек памяти. Помочь в этом смог перовскит в виде соединения бромида цезия-свинца (CsPbBr).

В результате исследования, о котором сообщается в издании Nature Communications, получилась компактная ячейка памяти ReRAM, о состоянии которой сообщается вспышками в реальном времени параллельно с операциями с памятью. Более того, используя в слое перовскита квантовые точки разного размера, учёным удалось обеспечить разноцветную индикацию режимов записи и стирания (синюю и зелёную), фактически повторяя вспышками процесс работы ячейки по передаче данных.

Источник изображения: Kyushu University/ Ya-Ju Lee

Источник изображения: Kyushu University/ Ya-Ju Lee

Дублирование электрических сигналов в памяти оптической индикацией в одном компактном устройстве открывает возможность увеличения производительности работы памяти ReRAM за счёт распараллеливания части процессов. В обычной ячейке памяти ReRAM для её работы необходимо измерять сопротивление резистивного слоя и делать ряд других сопутствующих электрических измерений, от которых «память со световой индикацией» освобождается. Когда-нибудь это может пригодиться, ведь фотоника становится важной частью новой электроники.

Российские физики «подружили» кремний со светом и сделали шаг к микроэлектронике следующего поколения

Российские физики нашли возможность создавать на кремнии мощные источники фотонов. Это обещает перевести чипы с работы на токе электронов на передачу фотонов. Скорость работы микросхем нового поколения достигнет «световой» скорости при минимальном нагреве чипов.

Собственная мода кремниевого фотонно-кристаллического слоя. Источник изображения: Сколтех

Собственная мода кремниевого фотонно-кристаллического слоя. Источник изображения: Сколтех

В опубликованной в издании Laser and Photonics Reviews работе ученые Сколтеха с коллегами из Института физики микроструктур РАН, Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Университета ИТМО, МГУ им. М.В. Ломоносова и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН рассказали о технологии создания на обычном кремнии высокоэффективных источников фотонов.

В обычных условиях кремний — главный материал для изготовления чипов в мировой индустрии полупроводников — плохо поглощает и излучает фотоны. В то же время плотность размещения элементов (транзисторов и прочего) в кристалле достигла такого уровня, что плотность потока тепла в процессе работы чипов начинает мешать росту производительности микросхем и создаёт массу других неудобств. Переход на передачу данных фотонами помог бы решить проблему, но простых решений для этого до сих пор не было.

Учёным удалось «подружить» кремний и свет. Исследователи внедрили в кремниевую структуру германиевые наноточки и, что самое важное, изготовили на поверхности кремния специально рассчитанный фотонный кристалл. Идея заключалась в том, что фотонный кристалл создаст резонатор вокруг излучающей наноточки и многократно усилит свечение, которого в теории хватило бы для работы электронных схем.

Кремниевый фотонно-кристаллический слой (слева), его собственные моды (по центру) и его спектр излучения (справа). Источник изображения: Сколтех

Кремниевый фотонно-кристаллический слой (слева), его собственные моды (по центру) и его спектр излучения (справа). Источник изображения: Сколтех

«Сама идея связанных состояний в континууме была заимствована из квантовой механики: эффективное удержание света внутри резонатора происходит благодаря тому, что симметрия электромагнитного поля внутри резонатора не соответствует симметрии электромагнитных волн окружающего пространства», — поясняется в пресс-релизе на сайте Сколтеха.

Предложенное физиками решение усилило интенсивность свечения более чем в сто раз — это открывает один из перспективных путей для перехода к CMOS-совместимым оптоэлектронным интегральным схемам.

Российские физики с зарубежными коллегами открыли перспективный материал для фотоники будущего

Кремниевая фотоника давно на слуху и широко используется в оптических линиях связи. Но как шагнуть дальше — преодолеть дифракционный предел и создать ещё меньшие по размерам оптические элементы? Оказалось, что в этом могут помочь известные ещё скандинавским викингам природные материалы, преломляющие свет из-за своей слоистой структуры и гигантской анизотропии. Эти свойства очень кстати для работающей на фотонах электроники.

Исландский шпат. Источник изображения: Каталог минералов

Исландский шпат. Источник изображения: Каталог минералов

Открыть для посткремниевой фотоники мир давно и хорошо известных анизотропных материалов смогли сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с зарубежными коллегами из Испании, Великобритании, Швеции и Сингапура, включая первооткрывателя двумерных материалов и нобелевского лауреата Константина Новосёлова. Они впервые измерили гигантскую оптическую анизотропию в слоистых кристаллах дисульфида молибдена и подтвердили опыты теоретическими выкладками.

До последнего времени рекордным значением двулучепреломления (0,8) обладали слоистые кристаллы перовскита BaTiS3 и гексагональный нитрид бора h-BN. Однако для создания более компактной оптики необходимы были материалы с оптической анизотропией, превышающей 1, что позволило бы преодолеть дифракционный предел. Очень перспективными в этом отношении представлялись дихалькогениды переходных металлов и, в частности, дисульфид молибдена.

Перед учёными встала задача измерить количественно оптическую анизотропию дисульфида молибдена и подтвердить её теоретическими расчётами. В ходе серии сложных экспериментов удалось однозначно определить двулучепреломление материала, которое в ближнем инфракрасном диапазоне составило 1,5, а в видимом достигает 3. Эти величины в несколько раз превышают значения предыдущих рекордсменов и позволяют сказать, что эру посткремниевой фотоники можно смело открывать.

Схема строения дисульфида молибдена. Источник изображения: Nature Communications

Схема строения дисульфида молибдена. Источник изображения: Nature Communications

Как сказал профессор Валентин Волков, который в сентябре 2019 года переехал из Университета Южной Дании в МФТИ, где возглавил Центр фотоники и двумерных материалов: «Неожиданно для нас оказалось, что природные анизотропные материалы позволяют создавать компактные волноводы буквально на грани дифракционного предела. Это дает нам возможность конкурировать с кремниевой фотоникой, и теперь мы смело можем не только говорить о посткремниевой фотонике, но и реализовывать ее на практике».

Добавим, статью в Nature Communications по исследованию можно увидеть по этой ссылке, а чуть больше подробностей на русском языке можно прочесть на сайте МФТИ.

Вместо электронов фотоны: IBM предлагает новые пути для процессоров и ИИ

Современные вычислительные возможности классических процессорных архитектур себя исчерпали, уверены в IBM. Более того, они стали препятствием на пути развития систем машинного обучения и искусственного интеллекта. Прорыв видится в области развития кремниевой фотоники и вычислений в памяти, когда данные обрабатываются там, где они хранятся. И сегодня в IBM доказали, что они нащупали путь к электронике будущего, в которой вместо электронов по цепям полетят фотоны.

Фотонная матрица IBM в предсталении художника. Источник изображения: IBM Research

Фотонная матрица IBM в представлении художника. Источник изображения: IBM Research

Специалисты IBM совместно с учёными из нескольких стран разработали и реализовали оптическую вычислительную систему для ускорения работы нейронных сетей. В частности, в компании создали «фотонное тензорное ядро», которое способно выполнять так называемую операцию свёртки — математическую операцию над двумя функциями, которая выводит третью функцию — за один временной шаг. Обычно это простое сложение или умножение, но для обработки одного фрагмента данных требуются миллиарды таких операций, поэтому низкие задержки и малое потребление — это жизненно необходимые требования к таким системам.

Выполнение операций над данными в памяти — это дополнительная возможность сэкономить как на потреблении, так и на задержках, поскольку данные не нужно перегонять в процессор и обратно. В разработке IBM данные хранились и обрабатывались в ячейках памяти на основе памяти с фазовым переходом.

Следующий шаг к ускорению обработки данных — это мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM). Проще говоря, на блок памяти данные поступали в виде света с разной длиной волны. Подобный подход позволяет как расширить канал передачи данных (частотное расширение), так и проводить операции над фотонным потоком данных параллельно. Там, где электроны текли в цепи последовательно, фотонные цепи допускают параллельное течение данных и одновременную обработку каждого из потоков. Это колоссальное ускорение обработки данных!

В качестве эксперимента была создана матрица 9 × 4 с максимум четырьмя входными векторами на временной шаг, каждый из которых передавался в виде светового излучения со своей длиной волны. Для операций MAC (умножение-накопление) матрица показала производительность 2 TOPS/с на скорости модуляции 14 ГГц. В IBM рассчитывают, что предложенная схемотехника поможет достичь производительности фотонных схем с вычислениями в памяти значений на уровне PetaMAC/с на мм2 (тысячи триллионов операций MAC), что на три порядка выше современных значений на уровне 1 TOPS/мм2 для текущей электроники.

Шаг к созданию фотонного мозга: учёные HP случайно изобрели мемристорный лазер

Около десяти лет назад компания Hewlett Packard «изобрела» мемристор — элемент с управляемым сопротивлением с эффектом энергонезависимой памяти. И хотя в целом это игры маркетинга, поскольку кроме HP резистивную память разрабатывали множество компаний, исследователи Hewlett Packard Labs проделали большую работу и изобрели много нового и интересного. Например, среди уже реализованных проектов случайно обнаружились лазеры со свойствами мемристора.

Структура лазерного мемристора HPE: Источник изображения: Hewlett Packard Labs

Структура лазерного мемристора HPE: Источник изображения: Hewlett Packard Labs

Вкратце напомним, что мемристор, или, в общем случае, ячейка памяти ReRAM представляет собой диэлектрик, заключённый между двумя электродами. Управляющее напряжение ионизирует в диэлектрике, например, атомы кислорода и создаёт в нём токопроводящие нити от одного электрода к другому, что уменьшает сопротивление вещества в ячейке. Снятие напряжения не изменяет состояния ионизации, а напряжение с обратной полярностью очищает ячейку — возвращает её в состояние диэлектрика с высоким сопротивлением.

С лазерами со свойствами мемристора всё немного по-другому. В этом случае полупроводниковый лазер может запоминать длину волны, на которой он должен излучать и помнить о ней даже после снятия управляющего напряжения. Данное свойство может пригодиться при создании схем так называемой кремниевой фотоники, когда процессоры и память смогут обмениваться данными по оптическим каналам внутри кристалла. Как заявляют исследователи, мемристорный лазер показал, что все основные узлы для создания чипов на основе оптической связи можно создать на одном кристалле.

Структура под микроскопом. Источник изображения: Hewlett Packard Labs

Структура под микроскопом. Источник изображения: Hewlett Packard Labs

Как сказано выше, в Hewlett Packard Labs уже были сделаны открытия, которые позволили создать мемристорный лазер. Так, группа исследователей компании давно спроектировала такие полупроводниковые структуры, как гибридный кремниевый МОП-микрокольцевой модулятор и гибридный кремниевый микрокольцевой МОП-лазер. Другая группа исследователей занялась вопросом мемристорных свойств этих структур и нашла, что оксидный слой между двумя кристаллами, а обе структуры представляют собой два соединённых между собой кристалла, играет роль конденсатора. Заряжая этот конденсатор заданным напряжением можно заставить лазер сместить рабочую частоту излучения как в сторону красного диапазона, так и в сторону синего (в обратном направлении). При этом после снятия напряжения лазер не забывает о выставленной частоте, что, кстати, можно также использовать как эффект памяти в нейронных сетях, имитирующих работу мозга человека.

Изменение сопростивления оксидного слоя сдвигает рабочую частоту лазера. Источник изображения: Hewlett Packard Labs

Изменение сопротивления оксидного слоя сдвигает рабочую частоту лазера. Источник изображения: Hewlett Packard Labs

В настоящий момент учёные смогли сдвигать рабочую частоту лазера только в пределах одного нм, но зато за каждые 75 нс. Предстоит ещё много исследований, но перспективы у разработки интересные.

В российских спутниках будет применяться технология радиофотоники

Холдинг «Российские космические системы» (РКС), входящий в государственную корпорацию Роскосмос, разрабатывает технологию передачи данных с использованием радиофотоники: данную систему планируется использовать в спутниках-ретрансляторах следующего поколения.

Отмечается, что оборудование, созданное с применением решений радиофотоники, имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными приборами, предназначенными для размещения на борту космических аппаратов. Это, в частности, более высокая устойчивость к помехам и воздействию факторов космического пространства. Кроме того, аппаратура нового типа обладает меньшим весом и сниженным энергопотреблением.

«Для преобразования частоты и коммутации радиоканалов в спутниковом ретрансляторе создаётся преобразователь с радиофотонным ядром, радиочастотными входной и выходной секциями. Применение такой технологии значительно расширяет технические возможности перспективных телекоммуникационных спутников при ретрансляции радиосигнала», — отмечает РКС.

Новая российская разработка обеспечивает преобразование несущей частоты входного информационного сигнала в бортовом спутниковом ретрансляторе в несколько частотных диапазонов одновременно. Передача данных происходит с минимальными потерями сигналов на большие расстояния.

Оборудование на базе радиофотоники найдёт применение в спутниках для информационного обеспечения ракетно-космической техники, передачи телевизионного сигнала между телецентрами, ретрансляции сигналов космических систем навигации, связи, спасения и пр. 

Военные США заказали разработку чипов со встроенными лазерами для навигации без GPS и наведения оружия

Управление перспективных исследовательских программ в области обороны (DARPA) запустило программу по созданию интегрированной с лазерами кремниевой фотоники. Техпроцессы по производству полупроводниковых лазеров и чипов кремниевой фотоники имеют существенные различия, что не позволяет простым способом совместить одно и другое на едином кремниевом кристалле. Программа LUMOS должна преодолеть это ограничение и явить миру лазерно-оптические чипы.

Источник изображения: DARPA

Источник изображения: DARPA

Программа LUMOS (Lasers for Universal Microscale Optical Systems) относится к третьей фазе масштабного проекта Electronics Resurgence Initiative (ERI) по возрождению разработки и производства электроники в США, стартовавшей два года назад и рассчитанной на пять лет и $1,5 млрд. Как и другие элементы программы ERI, исследования в рамках её выполнения призваны завершиться практическими вещами — подбором материалов, созданием техпроцессов для внедрения на полупроводниковые производства и реальными продуктами. Одним словом, Америка снова должна стать великой.

Программа LUMOS будет рассматривать несколько коммерческих и оборонных приложений, направляя усилия в трех различных технических областях. Первой областью станет разработка высокоэффективных лазеров и оптических усилителей, которые можно было бы массово выпускать в интегрированном виде на чипах на передовых американских предприятиях. Совмещать одно с другим и доводить дело до коммерческих техпроцессов будет компания Tower Semiconductor и институт SUNY Polytechnic Institute.

Второй областью исследований по программе LUMOS станет разработка «высокомощных лазеров и усилителей на платформах быстрой фотоники для микроволновых приложений», — как заявлено в пресс-релизе DARPA. Этим вопросом будут заниматься компании Ultra-Low Loss Technologies, Quintessent, Гарвардский университет и Национальные лаборатории Сандии.

Третья область исследований по программе LUMOS самая амбициозная — она предполагает разработку прецизионных лазеров и интегральных схем для видимого спектра с возможностью устанавливать длину волны излучения в «беспрецедентном» спектральном диапазоне. Открытия в этой области должны привести к появлению миниатюрных лазерных датчиков для навигации, синхронизации и для квантовых вычислений или шифрования. На этом направлении будут трудиться Nexus Photonics, Йельский университет, Калифорнийский технологический институт, Национальные лаборатории Сандии и Университет Колорадо в Боулдере.

Всё представленное выше направлено на навигацию без GPS, на самонаводящиеся выстрелы практически из оружия любого калибра и на многие другие полезные для военного применения цели.

Российская кремниевая фотоника прокладывает путь к сотовой связи 6G

Группа ученых под руководством кандидата физико-математических наук профессора Владимира Драчева (Центр проектирования, производственных технологий и материалов) разработала технологию и создала устройство, которое позволяет модулировать оптическое излучение с длиной волны 1,5 мкм и электрическим сигналом с частотой до 10 ГГц. Созданный компонент относится к так называемой кремниевой фотонике и обещает привести к «полной локализации производства инфраструктурного и терминального оборудования 6G в России».

IPQ/KIT

IPQ/KIT

Ожидается, что сотовая связь шестого поколения (6G) начнёт внедряться на рубеже перехода к следующему десятилетию. Увеличение скорости передачи данных и дальнейшее снижение задержек потребуют более плотного размещения базовых станций и, следовательно, многократно увеличат нагрузку на кабельную инфраструктуру (соединяющую между собой базовые станции, периферийные и главные ЦОД). Всё это заставляет бросить все силы на разработку более эффективных преобразователей радиосигнала терагерцового и субтерагерцового диапазона в оптический диапазон.

Российские учёные, как и мировая научная мысль, заняты поиском технологий производства радиотехнических элементов, преобразующих радиосигнал в «свет» для передачи по оптическому кабелю. В частности, свежий пресс-релиз Сколтеха сообщает нам, что группа российских ученых добилась определённого прогресса в создании опытных экземпляров подобных элементов.

«Прорывной характер разработки состоит в практической реализации экспериментального образца сверхвысокочастотного электрооптического плазмонного модулятора, размеры которого не превышают несколько десятков микрон. Полученное устройство, изготовленное по стандартной полупроводниковой планарной технологии, будет использовано в качестве элемента радиофотонного трансивера 6G терагерцового диапазона».

В опубликованном Сколтехом документе не разъясняется суть разработки. Поэтому поясним, что речь идёт о преобразовании электрического сигнала в фотоны благодаря таким эффектам в специальной среде, как возбуждение квазичастиц плазмонов.

Представленная технология гарантирует полную совместимость с процессами изготовления структур металл-оксид-полупроводник (МОП) на основе кремния-на-изоляторе (КНИ). Также она обещает совместимость с другими устройствами планарной радиофотоники и интегральной фотоники за счет использования стандартных длин волн оптического спектра и интерфейсов ввода-вывода, высокую безынерционность за счет использования оптической модуляции плазмонного «затвора» нанометровых размеров и другие преимущества, без которых сложно будет представить будущее телекоммуникации.

Российские и датские учёные предложили «суперлинзу» для фотонных чипов

Как бы ни был мал электрон, он тяжелее фотона, что негативно влияет на скорость распространения электрона в проводящей среде. В этом плане фотоны способны перемещаться намного быстрее, что открывает перед фотонной электроникой широкие перспективы. Но на пути к кремниевой фотонике всё ещё множество препятствий, одно из которых учатся преодолевать российские и датские учёные, а именно ― ищут возможность сфокусировать свет до невозможного предела.

Иллюстрация. Суперлинза. Дизайнер: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

Иллюстрация. Суперлинза. Дизайнер: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

Одно из фундаментальных ограничений обычной собирающей линзы вызвано дифракционным пределом, что не позволяет сфокусировать свет в пятно размером менее 50 % длины волны. Это серьезное препятствтие на пути миниатюризации кремниевой фотоники. Обойти его смогла группа учёных из Москвы (МФТИ), Томска (Томского политехнического университета) и Копенгагена. Учёные создали «суперлинзу» ― миниатюрное устройство, которое позволило экспериментально доказать возможность «сжать» свет до 60 % от длины волны, что пробивает пресловутый дифракционный предел.

Слово «сжать» написано в кавычках неспроста. Сжимается не сам свет, а квазичастицы, образованные взаимодействием фотонов и электронов в приповерхностных слоях вещества проводящей среды. Конструкция фокусирующей металинзы представляет собой квадратный кусочек диэлектрика со сторонами 5 мкм толщиной 0,25 мкм. Диэлектрик помещён на золотую пластинку толщиной 0,1 мкм, на обратной стороне которой нанесена рельефная решетка.

«Лазерный импульс, падающий на золотую пленку, преобразуется в поверхностные плазмоны-поляритоны — особые электромагнитные колебания, которые распространяются в плоскости металлической пленки и, проходя под квадратной диэлектрической частицей, фокусируются до 60 % исходной длины волны», ― объясняют учёные. Плазмоны ― это коллективные колебания электронов в металле, согласованные с поляритонами ― распространением по поверхности световой волны. Фокусировке подвергаются именно фотонно-электронные взаимодействия, что опосредованно позволяет «фокусировать» падающий на металинзу свет.

Строение металинзы (МФТИ)

Строение металинзы (МФТИ)

В результате реализованной выше схемы фокусировки учёные смогли впервые экспериментально зафиксировать такое явление, как плазмонная наноструя. «Мы использовали компьютерное моделирование, чтобы подобрать подходящие размеры диэлектрической частицы и характеристики дифракционной решетки на золоте. В результате поверхностная плазмонная волна имеет разную фазовую скорость на краях и в центре диэлектрика, из-за чего фронт волны изгибается и формируется плазмонная наноструя — область высокой плотности плазмонов-поляритонов», ― рассказал замдиректора ИСВЧПЭ РАН и ведущий научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ Дмитрий Пономарёв.

В ближайшем будущем учёные планируют продемонстрировать другие интересные эффекты, связанные с образованием, распространением и применением плазмонных струй.

Два в одном: фотодиод из перовскита может быть одновременно светодиодом

Учёные продолжают изучать «российский минерал» ― перовскит, впервые найденный примерно 200 лет назад в уральских горах, и находить ему новые применения. Новая разработка позволяет фотодиоду из перовскита одновременно быть светодиодом, для чего достаточно поменять приложенное к диоду смещение на обратное.

Данное открытие сделали учёные из Линчёпингского университете в Швеции. Правда, оно основано на ранних исследованиях учёных из этого университета и некоторых зарубежных академических учреждений. Новое исследование, которое привело к созданию «оптических приборов с двунаправленной связью», было проведено совместно с разработчиками из Шэньчжэньского университета, Технического университета Нанкина, Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и Китайского университета Гонконга.

«Двуличный» фотодиод (или светодиод) даёт возможность упростить производство электронных схем, в которых необходима оптическая связь между двумя и большим числом приборов. Например, это может быть востребовано для кремниевой фотоники. В зависимости от поданного на диод смещения он может как фиксировать фотоны, так и излучать их. Предложенную схему учёные испытали на практике в устройстве измерения пульса человека. При этом электронные цепи и приборы в передающих и принимающих узлах были абсолютно идентичными (см. фото выше).

Созданный учёными опытный фото-светодиод показал внешнюю квантовую эффективность больше 21 % и оказался способен вырабатывать энергию (захватывать фотоны) мощностью до пиковаттного уровня. Длина волны излучения в режиме светодиода при этом составляла 804 нм (красное свечение). Ждём интересных реализаций этой технологии.

GlobalFoundries без шума заняла до 10 % рынка кремниевой фотоники

Кремниевая фотоника по праву считается одной из самых интересных технологий, наиболее активно развивающихся в последние 10 лет. Рост скорости обмена и низкое потребление, что обещают оптические линии связи, нужны для межчипового, межсистемного, внутригородского и так далее трафика. Без оптики на уровне интерфейса микросхем обеспечить сквозной рост скорости обмена будет очень и очень дорого.

Одной из компаний, которая глубоко вовлечена в кремниевую фотонику, является хорошо известная, но явно ушедшая с передовой полупроводникового производства GlobalFoundries. Она отказалась от внедрения техпроцессов с технологическими нормами менее 12 нм. Вместо этого GlobalFoundries начала совершенствовать техпроцессы на пластинах FD-SOI, обещая высокие скорости и малые утечки там, где другим для этого требовалось внедрять 10- и 7-нм техпроцессы. Также GlobalFoundries начала углубляться в кремниевую фотонику, которая даже на более старых 90- и 45-нм техпроцессах оставалась передним краем борьбы технической и научной мысли.

Надо сказать, что GlobalFoundries взялась за кремниевую фотонику не на пустом месте. Около 5 лет назад она получила в своё владение заводы, технологии, порядка 16 000 патентов, а также специалистов компании IBM. В частности, в руки GlobalFoundries попали накопившиеся за 10 лет наработки специалистов IBM в области выпуска решений для кремниевой фотоники на пластинах SOI применительно к радиочастотным элементам (RFSOI). В GlobalFoundries развили этот опыт и в 2018 году представили техпроцесс 90WG, адаптированный для выпуска компонентов кремниевой фотоники на пластинах диаметром 300 мм.

Годом раньше, что также важно для организации производства кремниевой фотоники на мощностях GlobalFoundries, компания начала сотрудничать со стартапом Ayar Labs. Используя разработки Ayar Labs, компания GlobalFoundries создаёт платформу для выпуска кремниевой фотоники для любых заинтересованных клиентов с использованием 45-нм техпроцесса. Коммерческое производство интегрированных в чипы оптических интерфейсов с использованием техпроцесса 45CLO должно начаться не позднее следующего года. Оптические решения в этом поколении обещают в 10 раз поднять скорость обмена и в 5 раз снизить потребление.

В 2019 году GlobalFoundries также объявила о новом партнерстве с MACOM Technology Solutions. Вместе с MACOM компания GlobalFoundries взялась адаптировать техпроцесс 90WG для платформы MACOM Laser Photonic Integrated Circuit. Это будут сквозные решения от оптики в чипах до магистральных линий с прицелом на облачные решения и сети для развёртывания сетей 5G.

Наконец, выяснилось, что GlobalFoundries вместе с Intel и Ayar Labs работают по программе DARPA PIPES (Photonics in Package for Extreme Scalability). Совместными усилиями эти компании выпустили чиплет со встроенным оптическим интерфейсом. В то же время компания GlobalFoundries не была заявлена как участница программы PIPES. Возможно, она участвует в ней как субподрядчик компании Xilinx. В целом оказалось, что GlobalFoundries потихоньку и без громкой рекламы заняла около 10 % зарождающегося рынка кремниевой фотоники. Это хороший старт для перспективной технологии.

Учёные сделали шаг в сторону ПЛИС на оптических вентилях

Фотоника стала новым фронтиром среди разработчиков интегральных схем. Переход с металлических соединений на оптические снизит потребление чипов и увеличит скорость их работы. Одним из барьеров на этом пути остаётся высочайший разброс параметров активных компонентов «фотонных» микросхем и следующий из этого высокий уровень брака при производстве. Обойти это препятствие поможет исследование нидерландских учёных.

Eindhoven University of Technology/Advanced Optical Materials

Eindhoven University of Technology/Advanced Optical Materials

Группа исследователей из Технологического университета Эйндховена предложила использовать для массового производства фотонных интегральных схем платформу перепрограммируемых матриц ПЛИС (FPGA). Если часть оптических вентилей в составе фотонной ПЛИС будут бракованными, то это не помешает программным способом исключить негодные вентили из схемы. Тем самым уровень выхода годных фотонных интегральных схем можно будет увеличить с 10–20 % до 50–80 %. Но основная хитрость заключается в другом ― в специальном перепрограммируемом материале, за счёт которого можно будет создать матрицу программируемых оптических переключателей.

Прежде чем рассказать об исследовании нидерландских учёных, отметим, что в основе оптических переключателей лежит эффект управляемого и обратимого изменения показателя преломления вещества. Эта величина показывает, насколько скорость распространения света уменьшается по сравнению с распространением скорости света в вакууме. Управляя показателем преломления можно изменить состояние вентиля и перестроить электронную схему.

Это не первое изучение возможностей переключаемых оптических материалов. Но до сих пор подобные переключатели либо требовали значительных объёмов энергии на нагрев или охлаждение материалов в процессе переключения, либо характеризовались высоким уровнем поглощения полезного сигнала. Учёные из Нидерландов смогли обойти оба этих ограничения.

Удивительно, но исследователи воспользовались хорошо известным и крайне негативным в работе обычных кремниевых солнечных элементов эффектом Стаблера-Вронского. Это эффект деградации солнечных элементов под воздействием света и тепла. Но если такой деградировавший элемент оставить в темноте и охладить, кремний в его основе частично возвращает свои полезные свойства.

Созданный учёными оптический коммутатор имеет вид микропетли из гидрированного аморфного кремния. Петля (петли) в течение 100 часов освещали лазером в ближнем инфракрасном диапазоне, а затем медленно охлаждали или отжигали в темноте в течение 4 часов. Выяснилось, что показатель преломления материала петли менялся на 0,3 %. Свет увеличивал этот показатель, а отжиг возвращал в обратное значение. Фактически удалось переключить вентили в заданное положение, а потом полностью сбросить состояние переключателей до исходного.

Величина обратимого изменения показателя преломления на уровне 0,3 % ― это далеко не то, что необходимо для запуска в коммерческое производство. Тем не менее, над снижением эффекта Стаблера-Вронского учёные во всём мире бьются порядка 40 лет. Багаж знаний по этому вопросу позволяет надеяться, что найдутся возможности усилить этот эффект в пользу коммутируемой оптической электроники. В солнечных элементах это было зло, зато для оптических процессоров окажется во благо.

Оптические интерфейсы для процессоров и не только: DARPA выбрала участников программы

Как и электроника, интерфейсы должны развиваться в согласии с законом Мура. Однако обычные проводные соединения уже почти не успевают за многоядерными и производительными чипами. Решить проблему ограниченной пропускной способности без повышения потребления могут оптические интерфейсы, встроенные прямо в микросхемы. В США по программе DARPA этим будут заниматься Intel, Xilinx и ряд лабораторий и университетов.

Для разработки всеобъемлющего, масштабного и сквозного оптического интерфейса для электроники агентство DARPA объявило в 2018 году о запуске программы «PIPES» (Photonics in the Package for Extreme Scalability) или, по-русски, фотоника в упаковке для исключительного (экстремального) масштабирования. На днях после продолжительного изучения предложений кандидатов были выбраны участники этой программы.

Область исследований по программе «PIPES» разбита на три составные части. Первая часть программы нацелена на разработку технологий и решений для интеграции оптических интерфейсов и их элементов в состав (в корпуса, если речь идёт о многокристальной упаковке) микросхем, в частности, в FPGA и ASIC. Этим будут заниматься компании Intel и Xilinx.

Контролировать и направлять работу Intel и Xilinx будут компании американского ВПК Lockheed Martin, Northrop Grumman, Raytheon и BAE Systems. Все они должны изучить и определить сферы применения новых оптических интерфейсов для получения наибольшей выгоды для обороны США. Целью области исследований Intel и Xilinx ставится задача создать интегрированные оптические интерфейсы со скоростью до 100 Тбит/с с энергетическими затратами менее 1 пДж/бит.

Отметим, что в целом перед программой «PIPES» ставятся более грандиозные цели. В перспективе до 2028 года в самых передовых чипах должны появиться встроенные оптические интерфейсы с пропускной способностью в 100 раз выше, чем должны добиться Intel и Xilinx ― до петабита в секунду. Как заявляют в DARPA, «это примерный эквивалент всего мирового интернет-трафика сегодня, но из одного чипа».

Второй областью исследований по программе «PIPES» стала разработка компонентов и узлов передачи оптических сигналов между чипами, блоками и изделиями. Над этими вопросами будут работать Национальные лаборатории Сандия, Калифорнийский университет в Сан-Диего, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, Колумбийский университет и Университет Пенсильвании.

Третья область программы «PIPES» ― это изучение проблем и возможностей системного уровня. Проще говоря, разработка оптических коммутаторов и прочих решений для системных архитекторов. Очевидно, что масштаб задач будет намного больше, чем в случае обычных Ethernet-сетей. Заниматься этой проблемой будет Калифорнийский университет в Беркли. В случае успеха речь может идти о новой парадигме в организации вычислительных платформ, когда локальное хранение данных станет ненужным, настолько быстро информация будет путешествовать по сетям. Но всё это будет нескоро.

Бельгийская разработка обещает недорогую кремниевую фотонику

Полупроводниковые источники и приёмники света уже зарекомендовали себя как незаменимые решения для транспортировки данных по оптоволоконным каналам связи. Но всё это достигается за счёт сравнительно дорогих дискретных компонентов. Для использования оптики в интегральных схемах и для снижения цен на кремниевую фотонику необходима интеграция лазеров в микросхемы. Одной из таких технологий обещает стать разработка бельгийского центра Imec.

Принцип работы полупрводниковго лазера с распределённой обратной связью (изображение Роснано)

Принцип работы полупроводникового лазера с распределённой обратной связью (изображение Роснано)

Центр исследований Imec и британская компания CST Global, которая специализируется на производстве химических соединений из III–V групп таблицы Менделеева, сообщили об успешной интеграции лазеров с распределенной обратной связью (DFB) на основе фосфата индия (InP) в производственную платформу Imec iSiPP (интегрированная платформа кремниевой фотоники). За основу производственной технологии взята платформа InP100 компании CST Global. Проще говоря, Imec воспользовалась наработками CST Global в области создания лазеров на базе фосфата индия и подготовила техпроцесс для промышленного производства интегрированных решений.

В течение 2020 года бельгийские разработчики будут оптимизировать вновь созданный техпроцесс и проверять его со всех возможных сторон. Для клиентов центра техпроцесс в рамках создания опытных прототипов интегрированных полупроводниковых лазеров станет доступным в первой половине 2021 года. Ожидается, что удешевления производства встроенных в микросхемы лазеров приведёт к появлению кремниевой фотоники в сферах, где высокие расходы неприемлемы. Например, для оптической связи чипов друг с другом в компьютерах и даже смартфонах, в датчиках и в других устройствах и приборах.

Гибридный интегрированный лазер Imec

Гибридный интегрированный лазер Imec

Традиционно источники света на основе материалов III–V групп, например, фосфида индия (InP) или арсенида галлия (GaAs), изготавливаются как отдельные дискретные компоненты. Это дороже, они больше и их работа сопровождается потерями. Партнёры в лице Imec и CST Global смогли создать техпроцесс, при котором дискретный компонент лазера InP устанавливается на кремниевую подложку с волноводами. Технология обеспечивает высокую точность совмещения элементов и надёжные связи кристалла лазера с кристаллом подложкой.

Опытный чип, например (см. на картинке выше), представляет собой гибридное решение с мощностью излучения свыше 5 мВт. Это отличный показатель и, очевидно, он будет только улучшаться по мере совершенствования технологии.

Учёные выяснили, что кремний может сохранять проводимость при сверхнизких уровнях заряда

Казалось бы, если в электронике что-то изучено наиболее досконально, то это свойства кремния. Оказалось, что это не так. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) придумали новый метод измерения мобильности заряжённых частиц в кремнии, который если не перевернул, то значительно расширил представление о процессах переноса заряда в полупроводниках.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Express. Предложенный учёными метод позволил провести наиболее чувствительные измерения скорости движения электрического заряда в кремнии, а это показатель его эффективности в качестве полупроводника. Как следствие, новый метод позволит точнее оценить влияние на проводимость кремния тех или иных легирующих добавок и создаст основу для улучшения характеристик полупроводниковых приборов. Это шанс улучшить работу чипов практически даром только за счёт лучшего понимания процессов. Провести тюнинг, если так можно выразиться.

Традиционно подвижность электронов и дырок в кремнии измеряли методом Холла. Этот метод предполагает, что на образце кремния (полупроводника) распаиваются контакты для пропускания электрического тока. Недостатком этого способа является то, что в местах пайки образуются дефекты или появляются примеси, которые вносят искажения в результаты измерения.

Для чистоты эксперимента учёные из NIST воспользовались бесконтактным методом. На образец кремния сначала подавался свет слабой интенсивности в виде сверхкоротких импульсов видимого света, а затем образец облучался импульсами излучения в дальнем инфракрасном или микроволновом диапазоне. Слабый видимый свет производил на кремний эффект фотолегирования: в слое кремния возникали заряжённые частицы в виде электронов и дырок.

Видимый свет, по понятным причинам, в толщу кремния проникнуть не мог. Именно для этого фотолегированный образец облучался терагерцевым излучением (в дальнем инфракрасном диапазоне), для которого кремний прозрачен. И чем больше в образце заряжённых частиц, тем больше света проникает или поглощается образцом. При этом важно отметить, что для более точного измерения подвижности электронов в образце его толщина должна была быть довольно большой ― до 1 мм. Это исключало влияние на измерения дефектов на поверхности образца.

В то же время перед исследователями стояла другая проблема. Количество «внесённых» видимым светом электронов и дырок в образце должно было быть как можно меньше, чтобы понизить порог чувствительности при измерениях. Обычно для этого образец облучался одним фотоном, но в случае толстого образца один фотон выбивал в кремнии недостаточно заряжённых частиц. Выход был найден в облучении образца двумя фотонами видимого света. После этого терагерцевое излучение свободно проходило через образец при минимальном числе заряжённых частиц в объёме материала. По утверждению учёных, порог чувствительности удалось понизить в 10 раз со 100 трлн носителей заряда на см2 до 10 трлн.

Как только порог чувствительности был понижен, выяснилось удивительное. Подвижность электронов в кремнии оказалась способна расти даже до весьма разреженного состояния носителей в материале, о чём раньше никто не подозревал. Собственно, сама подвижность оказалась на 50 % выше, чем считалось ранее. Для контрольной проверки подобный эксперимент был проведён с арсенидом галлия (GaAs), тоже светочувствительным полупроводником. Обнаружилось, что подвижность носителей заряда в этом материале продолжает расти по мере снижения их плотности. Измеренный новым методом предел плотности носителей оказался примерно в 100 раз ниже, чем до этого считалось.

Что из всего этого следует? В далёком или не очень далёком будущем полупроводники смогут работать при очень низких уровнях заряда. По крайней мере, теоретический предел отодвинут достаточно далеко. Это и высокочувствительные солнечные панели, и однофотонные детекторы (привет квантовым компьютерам!), сверх энергоэффективная электроника и многое другое.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥