Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

15.3. Фотоника

В последние годы фотоника стала все чаще рассматриваться в качестве альтернативы электронике во многих отраслях науки и техники, связанных с коммуникациями или информационными технологиями. Эту тенденцию легко объяснить тем, что использование фотонов вместо электронов в процессах передачи и переработки информации создает существенные преимущества, прежде всего, вследствие быстродействия и помехоустойчивости фотонных каналов связи. Результатом возрастающего интереса исследователей и технологов стала быстрая миниатюризация множества оптических устройств (резонаторов, волноводов, интерферометров и т. д.). На этой основе уже возникла мощная отрасль производства, позволяющая выпускать различные устройства такого типа с размером структур около 100 нм и меньше. Конструкторов и технологов, занятых разработок фотонных устройств, очень часто вдохновляют те же идеи и тенденции, на основе которых происходила и происходит миниатюризация электронной техники.

Фотонные вычислительные устройства не только значительно превосходят полупроводниковые аналоги по быстродействию, но и избавляют пользователей от многих сложностей, связанных с тепловыделением и электропитанием. С другой стороны, слабым местом и источником постоянного беспокойства при использовании любых приборов и устройств на основе фотоники было и остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющих преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Решение проблемы быстрого и надежного преобразования таких сигналов имело бы огромное значение для коммерческого приложения и информационных технологий в целом. Кроме того, эта задача представляет особый интерес для применения в военной сфере, где фотоника рассматривается в качестве весьма перспективного направления развития многих отраслей (средства связи, датчиков, радаров и т. д.), в которых требуется быстрая и надежная обработка больших массивов оптической и иной информации.

Для внедрения в практику последних достижений в области кремниевой оптоэлектроники необходимо разработать достаточно дешевые и надежные источники света многочастотного типа. Речь идет не столько о принципиальной возможности повышения эффективности, а о чисто технических задачах создания новых и недорогих материалов и устройств. Уже сейчас применение кремниевых КМОП-структур в аппаратуре ограничивает возможности уплотнения, регулирования и обработки большого числа параллельных потоков оптической информации в едином чипе, а дальнейшее развитие этой области настоятельно требует создания следующего поколения микропроцессоров, снабженных оптоэлектронными переключателями. Некоторого снижения стоимости аппаратуры можно ожидать от внедрения оптических волноводов из материалов типа SOI (silicon on insulator, кремний на изоляторе), способных заменить полупроводниковые материалы типа GaAS, InP и ниобата лития LiNbO5, используемые сейчас в телекоммуникационных и информационных устройствах.

Главными недостатками существующей кремниевой оптоэлектроники остаются низкие значения коэффициентов усиления сигнала и эффективности светового излучения отдельными чипами. Исследователи затратили много времени и средств, пытаясь создать достаточно эффективные лазеры на кремниевых кристаллах, однако, к сожалению, им пока не удалось добиться серьезного успеха, хотя разработки в наиболее перспективных направлениях (усиление в пористом кремнии, создание волноводов из легированного эрбием кремния) продолжаются.

Изделия кремниевой нанофотоники исключительно малы, и поэтому многие из них (например, спектральные мультиплексоры) можно легко «вводить» в обычные электронные чипы, не нарушая плотности монтажа. В настоящее время многие оптические наноустройства можно изготавливать на основе стандартных и дешевых материалов полупроводниковой техники (таких как кремний на изоляторе, арсенид галлия и фосфид индия), поэтому нанофотоника развивается главным образом за счет сочетания фотонных и электронных компонент, позволяющего наиболее эффективным образом использовать их преимущества. Размеры многих оптических устройств могут быть значительно уменьшены за счет замены традиционных материалов (стекло, ниобат лития) на кремний, арсенид галлия, фосфид индия. Такие сверхмалые оптические устройства могут быть в дальнейшем объединены в единую систему, что, возможно, позволит воплотить в жизнь мечту специалистов по информационным технологиям о создании эффективного и многофункционального оптического устройства переработки информации, размещающегося на отдельном чипе. Более того, поскольку такие устройства могут, как упоминалось выше, создаваться на основе обычных полупроводниковых материалов, разработчики вполне могут вводить их в уже существующие приборы, создавая гибридные электронно-фотонные системы с очень сложной структурой.

Возможность использования в нанофотонике кристаллических пластин из кремния на изоляторе имеет огромное значение, если вспомнить о наличии весьма развитой технологии кремниевой электроники. Созданные на основе таких материалов новые оптические наноустройства (резонаторы, фильтры, волноводы, модуляторы, детекторы и т. п.) могут быть легко интегрированы в существующие системы на чипах, не говоря уже о том, что их можно будет легко и быстро внедрить в производство. Кроме того, новые устройства обещают значительно расширить функциональные возможности существующих схем с КМОП-структурами, особенно при создании высокоэффективных транзисторов.

Очень важной технической проблемой является разработка генераторов с синхронизированными модами, позволяющими одновременно подавать выходные сигналы на большом числе частот с высокой надежностью. В оптических чипах с пассивной фильтрацией и обработкой информации входной сигнал обычно сильно искажается из-за разнообразных потерь (так называемые вносимые потери, потери в волноводах, резонаторах и т. д.), вследствие чего необходима также разработка для таких устройств методов усиления входного сигнала перед обработкой. Надежная и качественная синхронизация мод требует использования в схемах резонаторов с высокой добротностью и высококачественных оптических модуляторов, и эти устройства уже сейчас практически могут быть созданы в чипах из кремния на изоляторе. В сущности, сегодня разработаны все основы для создания кремниевых устройств, включающих в себя внутренний генератор света с синхронизацией мод, и главной нерешенной проблемой остается усиление сигналов в оптическом диапазоне. Конечной целью разработок в этом направлении остается создание многочастотного источника оптического излучения, интегрированного с системой обработки информации в рамках единого оптоэлектронного чипа.

В самое последнее время внимание исследователей привлекают разнообразные фильтры, изготовляемые на основе оптической связи дисковых и кольцевых резонаторов. Новые методы оказались эффективными для стеклянных световодов разных видов, включая монолитные и составные (оптические волокна с наполнителем в виде микросфер). Группа, возглавляемая Литтлом, недавно разработала устройство в виде сложной решетки (8 х 8) с планарной геометрией, в которой над световодами размещены диски из стекла с очень высоким показателем преломления. Такая конструкция позволяет обеспечить высокие значения коэффициента Q (добротности), то есть создать оптические фильтры с высоким спектральным разрешением.

Минимальные размеры устройств, обеспечивающих связь между дисками резонаторов и волноводами, составляют 150–500 нм, так что они уже сейчас могут изготавливаться на основе наиболее развитых литографических технологий (например, с использованием ультрафиолетового излучения, электронных пучков и т. п.). Дальнейший прогресс в области практического применения таких устройств зависит от того, удастся ли использовать для их производства более распространенные, дешевые и простые литографические методики, обеспечивающие достаточное разрешение.