Теги → фотоника
Быстрый переход

Технологии кремниевой фотоники для сверхбыстрой связи между чипами стали привлекать всё больше инвестиций

Компьютеры, использующие для передачи данных свет вместо электрического тока, которые ещё несколько лет назад рассматривались лишь в качестве очередного исследовательского проекта, сегодня получают всё больше внимания. Cтартапы, решающие инженерные проблемы, связанные с использованием фотонов (элементарных частиц света) для передачи информации между полупроводниковыми микросхемами получают сотни миллионов долларов инвестиций, пишет Reuters.

 Источник изображений: Ayar Labs / Reuters

Источник изображений: Ayar Labs / Reuters

Один из примеров таких стартапов является компания Ayar Labs, работающая в сфере так называемой кремниевой фотоники. Недавно она сообщила о привлечении финансирования в размере $130 млн на свои разработки. Одним из её инвесторов является компания NVIDIA.

Вычислительная мощность кремниевых чипов на основе транзисторов за последние десятилетия увеличилась в геометрической прогрессии. Но поскольку размеры самих транзисторов достигли ширины в несколько атомов, их дальнейшее уменьшение представляет собой очень сложную технологическую задачу. Другая проблема транзисторов заключается в том, что они могут пропускать сигналы, снижая эффективность их передачи. Индустрия полупроводников неминуемо приближается к ситуации, когда закон Мура об удвоении плотности транзисторов каждые два года перестанет работать. Это подталкивает отрасль к поиску новых решений для удовлетворения постоянно растущих потребностей в более сложных вычислениях. Особенно на фоне стремительно развивающейся сферы искусственного интеллекта.

По данным аналитической компании PitchBook, в прошлом году рынок кремниевой фотоники привлёк инвестиций на общую сумму свыше $750 млн, что вдвое больше, чем в 2020 году. А в 2016 эта сфера оценивалась всего в $18 млн.

«Технологии искусственного интеллекта растут "как на дрожжах" и активно используются в тех же дата-центрах. Перемещение цифровых данных и вопрос энергоэффективности при передаче этих данных здесь являются очень серьёзными проблемами, требующими решения», — рассказал в интервью изданию Reuters глава Ayar Labs Чарльз Вуишпард (Charles Wuischpard).

Корень проблемы заключается в том, что алгоритмы машинного обучения для выполнения вычислительных задач требуют использования сотен и даже тысяч полупроводниковых микросхем. При этом скорость передачи данных между этими чипами или целыми системами при использовании традиционных электрических методов является весьма ограниченной.

Свет уже несколько десятилетий используется для передачи сигналов с информацией с помощью оптоволоконных кабелей. Однако вывод технологии на уровень производства микросхем долгое время оставался очень сложной задачей. Она усложнялась необходимостью сокращения размеров устройств, которые используются в качестве источников света, до уровня транзисторов.

По мнению аналитика рынка новых технологий Брендана Бёрка (Brendan Burke) из компании PitchBook, кремниевая фотоника имеет потенциал приобрести статус обычного оборудования в составе дата-центров уже к 2025 году. А сам рынок кремниевой фотоники к этому моменту может вырасти до $3 млрд, то есть до уровня рынка графических технологий с использованием ИИ, каким он был в 2020 году.

Стартапы используют технологии кремниевой фотоники не только в качестве эффективного средства передачи информации между микросхемами в составе одной или нескольких вычислительных систем. Разработки квантовых компьютеров, новых суперкомпьютеров, а также микрочипов для систем автономного вождения также привлекают огромные объёмы инвестиций.

Компания PsiQuantum, занимающаяся разработкой первого прикладного квантового компьютера, привлекла $655 млрд. Компания Lightmatter, занимающаяся разработкой фотонных процессоров для ускорения работы ИИ-алгоритмов в составе дата-центров привлекла $113 млн и обещает выпустить первые готовые к использованию продукты в этом году. Стартап Luminous Computing, занимающийся разработкой суперкомпьютера для ИИ-вычислений с использованием технологий кремниевой фотоники и получивший поддержку Билла Гейтса (Bill Gates), в общей сложности привлёк $115 млн инвестиций.

Интерес к кремниевой фотонике проявляют не только молодые технологические компании, но и вполне себе матёрые представители полупроводниковой индустрии. Например, глава отдела развития вычислительных и сетевых технологий GlobalFoundries Амир Фейнтух (Amir Faintuch) заявил, что сотрудничество с компаниями PsiQuantum, Ayar Labs и Lightmatter позволило им разработать и создать платформу для производства продуктов кремниевой фотоники, которую могут использовать её клиенты. Запуск платформы состоялся в марте этого года.

Основатель венчурного фонда Playground Global, инвестор компаний Ayar Labs и PsiQuantum Питер Барретт (Peter Barrett) в разговоре с Reuters отметил, что верит в долгосрочную перспективу кремниевой фотоники, а также в её возможность значительно укоротить компьютерные вычисления. Но впереди, по его словам, ещё много работы.

«Ребята из Ayar Labs достигли очень важного рубежа. Они решили проблему медленного интерконнекта в системах для высокопроизводительных вычислений. Однако полный переход на цифровые фотонные вычисления в не квантовых системах потребует некоторого времени», — прокомментировал Барретт.

Учёные обнаружили аномально сильное поглощение света намагниченным графеном — открытие пригодится в фотонике и для связи 6G

Исследователи из МФТИ, университета Регенсбурга (Германия), Массачусетского технологического института и университета Канзаса (США) обнаружили аномально сильное поглощение света в намагниченном графене. Явление обещает помочь в разработке чрезвычайно компактных устройств связи, чувствительных датчиков и систем генерации электричества от солнечной энергии. Работу сочли достойной публикации в Nature Physics — самом престижном издании по физике.

 Источник изображения: «За науку»

Источник изображения: «За науку»

Усиление взаимодействия света и вещества — это одна из проблем современной физики, как и проблема локализации энергии на участках намного меньше длины волны падающего излучения. Практическое решение последней проблемы, к примеру, позволит создавать антенны для связи 6G очень и очень маленькими — намного меньше длины волны рабочего излучения, что обещает снижение габаритов приёмников и устройств.

В поисках решения этих двух проблем учёные из России, США и Германии изучали воздействие терагерцового излучения (в виде лазерного луча) на графен, помещённый в электромагнитное поле. Соблюдение всех условий вело к одновременному возбуждению в графене двух видов резонансов — плазмонного и циклотронного. А резонансные явления, как известно, усиливают эффекты взаимодействия во всех случаях, чему найдётся масса практических применений от более эффективных фотоприёмников до новых поколений мобильной связи.

«Факт усиления поглощения при возбуждении медленных поверхностных волн был известен достаточно давно, — рассказывает Денис Бандурин, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. — Однако раньше считалось, что поверхностные волны в полупроводниках не могут быть медленнее, чем электроны, которые движутся в волне. Для графена скорость электронов где-то в 300 раз медленнее скорости света. Наше исследование показывает, что предела для замедления света фактически не существует — он может быть замедлен до полной остановки при включении уже небольшого магнитного поля».

Графен в созданных в лаборатории условиях повёл себя необычно в том смысле, что совместил в себе три функции: генератора фототока, антенны и поглотителя. Традиционно в полупроводниковой промышленности каждая из представленных выше функций решается разными приборами на основе разных же материалов. Отдельного упоминания заслуживает факт поглощения падающего излучения при размере элемента много меньше длины волны излучения — это бонус в виде компактности.

«Мы ожидаем, что графен в магнитном поле может оказаться сверхпоглотителем, — комментирует соавтор исследования Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — То есть он будет захватывать свет не только с площади, превышающей свой геометрический размер. Он сможет захватывать свет с площади, большей квадрата длины волны. Аномально малая скорость плазмонов в намагниченном графене создает для этого все предпосылки». Подробнее об исследовании можно прочесть в журнале «За науку».

В Канаде придумали простую технологию создания лазеров на кремнии — это потенциальный прорыв в кремниевой фотонике

Кремний не лучший материал для создания полупроводниковых лазеров. Но он остаётся самым недорогим и доступным сырьём для производства микросхем. Улучшить характеристики лазеров и сохранить простоту обработки кремниевых пластин — это давняя мечта для продвижения кремниевой фотоники, ведь дальнейшее повышение пропускной способности и производительности процессоров и ускорителей без оптики в чипах представляется сложным и неэффективным.

 Источник изображения: Laser & Photonics Reviews

Источник изображения: Laser & Photonics Reviews

Неожиданный прорыв в деле простого и доступного для современных технологий производства лазеров на кремниевой подложке совершила аспирантка Хадиджа Миараббас Киани (Khadijeh Miarabbas Kiani) из канадского государственного Университета Макмастерa. Идея изобретения полностью принадлежит ей, как и основные шаги на пути к эксперименту. Поэтому Хадиджа стала ведущим автором статьи по проекту, которая была опубликована в издании Laser & Photonics Reviews.

Современные полупроводниковые лазеры представляют собой сложные многокомпонентные гетерогенные структуры, в которых кремний не используется для испускания фотонов. Хадиджа придумала кремниевую структуру, которая сама становится высокоэффективным источником фотонов. Фактически она спроектировала оптический резонатор без привлечения дорогостоящих соединений и сложных техпроцессов.

Резонатор представляет собой миниатюрный вытравленный в кремниевой подложке диск с сужающимся зазором между ним и соседней рельефной кремниевой структурой. С помощью одноэтапного напыления на диск и соседние поверхности наносится плёнка теллурита, легированного тулием. Плёнка из этих редкоземельных материалов усиливает оптический сигнал от резонатора и превращает структуру в эффективный источник фотонов. Техпроцесс, как видим, очень и очень простой, если его сравнивать с тем, как лазеры производятся сегодня.

 Источник изображения: Dan Kim/McMaster University

Источник изображения: Dan Kim/McMaster University

Гибридный лазер накачивается на стандартных телекоммуникационных длинах волн около 1,6 мкм и демонстрирует стабильное одномодовое излучение на 1,9 мкм, с эффективностью 60 % и выходной мощностью более 1 мВт на кристалле. Лазер весьма перспективен для новых коммуникационных и сенсорных приложений и открывает новые возможности для разработки монолитных редкоземельных оптических усилителей и лазеров непосредственно на кремнии.

На новом этапе исследований группа с участием Хадиджи Миараббас Киани начнёт разрабатывать техпроцесс для интеграции кремниевых лазеров непосредственно в структуре кремния, а не на его поверхности. Очевидно, это путь к 3D-компоновке оптических источников в чипах — следующая ступень в развитии полупроводникового производства.

Учёные придумали, как уменьшить размеры оптических квантовых процессоров

Свет — одна из возможностей создать квантовый компьютер. Одиночные фотоны и атомы работают в масштабах квантовой физики, и учёные научились с этим управляться. Другое дело, что современный оптический квантовый вычислитель — это довольно большая установка с лазерами, зеркалами, линзами и многим другим. Миниатюризация этого хозяйства затруднена, но учёные из США сделали в этом направлении значительный шаг.

 Источник изображения: Ogulcan Orsel,

Источник изображения: Ogulcan Orsel, University of Illinois Urbana-Champaign

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн предложили оптический изолятор на чипе, многократно уменьшив размеры этого элемента по сравнению с существующими приборами. Оптический изолятор предотвращает распространение света в обратном направлении, что обычно происходит в любых средах для транспортировки фотонов. В масштабных установках обычно применяются магнитооптические изоляторы, но чип и сильные магнитные поля — это вещи несовместимые. Либо одно, либо другое.

Учёные из Иллинойса нашли возможность обойти проблему миниатюризации и одновременно обеспечить работу оптического изолятора. Для этого они предложили использовать звуковые волны, которые раньше были замечены в прямом воздействии на фотоны.

Предложенная исследователями схема оптического изолятора для чипа выглядит как кольцевой (на рисунке — овальный) звуковой резонатор, к которому подводятся оптические волноводы. Испускаемый лазером свет (фотоны) проходят через область с резонатором и идут дальше. Выяснилось, что при такой схеме обратно по световоду отражается только один из 10 тыс. фотонов. Фотоны не поглощаются и не отражаются, а просто проходят дальше, что делает решение потенциально ключевым элементом для дальнейшей миниатюризации квантовых оптических процессоров. Более того, резонатор можно создать таким, чтобы он пропускал строго заданную длину волны света, что открывает возможность тонкой настройки чипа на этапе производства.

«Простота изготовления является ключевым фактором — с нашим подходом вы можете печатать оптические изоляторы, которые хорошо работают для любой длины волны, которая вам нужна, и все это на одном чипе в одно и то же время. Это просто невозможно при других подходах», — сказал соавтор исследования Огулкан Орсел (Ogulcan Orsel), аспирант кафедры электротехники Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.

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.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Sony раскрыла, сколько эксклюзивы PlayStation придётся ждать на ПК 2 ч.
Илон Маск снова захотел купить Twitter 2 ч.
В деле Twitter против Маска появился ещё один потенциальный свидетель: он заявил, что 20 % аккаунтов на платформе — боты 2 ч.
Electronic Arts засветила баннер и название новой Need for Speed — анонс уже на этой неделе 3 ч.
Безбумажный HR: малым и средним предприятиям открыли демо-доступ к HRlink 3 ч.
БигМак за биткоины — McDonald’s в швейцарском Лугано начала принимать криптовалюты 4 ч.
В офисе Apple в Южной Корее прошёл рейд из-за обвинений в завышенных комиссиях в App Store 4 ч.
Релиз стратегии Company of Heroes 3 отложили на три месяца, чтобы не разочаровать игроков 5 ч.
Вслед за «Ведьмаком»: инсайдер сообщил об отказе разработчиков Halo от собственного дорогостоящего движка в пользу Unreal Engine 5 7 ч.
Великобритания запретила оказывать IT-консалтинговые услуги клиентам из России 8 ч.
Intel Labs представила нейроморфный ускоритель Kapoho Point — 8 млн электронных нейронов на 10-см плате 16 мин.
Белый дом предложил Билль о правах ИИ — он должен защитить американских граждан от самого ИИ 3 ч.
Micron построит огромный завода по производству чипов в США за $100 млрд 3 ч.
Поставки iPhone индийского происхождения выросли до $1 млрд за последние 5 месяцев и будут расти дальше 4 ч.
Нобелевскую премию по физике в 2022 году получили исследователи квантовой запутанности и нарушений неравенств Белла 4 ч.
NZXT представила материнскую плату N7 B650E для процессоров AMD Ryzen 7000 5 ч.
ASUS представила платы ROG Strix, TUF Gaming, Pro Art и Prime на чипсетах AMD B650E и B650 для процессоров Ryzen 7000 5 ч.
Представлены Xiaomi 12T и 12T Pro – флагман получил камеру на 200 Мп, зарядку на 120 Вт и цену от €750 5 ч.
Евросоюз утвердил полный переход на USB Type-C, и для Apple исключения не сделают 6 ч.
Просто добавь воды: учёные создали «чип» на ионных транзисторах в жидкой среде 7 ч.