Фотонная интегральная схема (ФИС) или интегральная оптическая схема - это микрочип, содержащий два или более фотонных компонента, которые образуют функционирующую схему. Эта технология обнаруживает, генерирует, транспортирует и обрабатывает свет. Фотонные интегральные схемы используют фотоны (или частицы света) в отличие от электронов, которые используются электронными интегральными схемами. Основное различие между ними заключается в том, что фотонная интегральная схема обеспечивает функции для информационных сигналов, подаваемых на оптических длинах волн, обычно в видимом спектре или ближнем инфракрасном диапазоне (850-1650 нм).
Наиболее коммерчески используемым материалом для фотонных интегральных схем является фосфид индия (InP), который позволяет интегрировать различные оптически активные и пассивные функции на одном кристалле. Первоначальными примерами фотонных интегральных схем были простые двухсекционные лазеры с распределенным брэгговским отражателем (РБО лазер), состоящие из двух независимо управляемых секций устройства – секции усиления и секции зеркала РБО. Следовательно, все современные монолитные перестраиваемые лазеры, широко перестраиваемые лазеры, лазеры с внешней модуляцией и передатчики, интегрированные приемники и т.д. являются примерами фотонных интегральных схем. Начиная с 2012 года устройства интегрируют сотни функций на одном чипе. Новаторская работа в этой области была проведена в Bell Laboratories (Лаборатории Белла). Наиболее известными академическими центрами развития и инноваций в области фотонных интегральных схем в InP являются Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, США, Технологический университет Эйндховена и Университет Твенте в Нидерландах.
Разработка 2005 года показала, что кремний, несмотря на то, что он является материалом с непрямой запрещенной зоной, все же может быть использован для генерации лазерного излучения с помощью нелинейности комбинационного рассеяния света. Такие лазеры имеют не электрический, а оптический привод и, следовательно, по-прежнему возникает необходимость в дополнительном лазерном источнике с оптической накачкой.
История Фотоника - это наука об обнаружении, генерации фотонов и манипулирования ими. Согласно квантовой механике и концепции корпускулярно-волнового дуализма, впервые предложенной Альбертом Эйнштейном в 1905 году, свет действует одновременно и как электромагнитная волна, и как частица. Например, полное внутреннее отражение в оптическом волокне позволяет ему действовать как волновод.
Интегральные схемы, использующие электрические компоненты, были впервые разработаны в конце 1940-х - начале 1950-х годов, но только в 1958 году они стали коммерчески доступными. Когда в 1960-х годах были изобретены лазер и лазерный диод, термин "фотоника" стал более распространенным для описания применения света взамен тех применений, которые ранее были достигнуты с помощью электроники.
К 1980-м годам фотоника набрала обороты благодаря своей роли в волоконно-оптической связи. В начале десятилетия Майнт Смит, ассистент новой исследовательской группы в Делфтском технологическом университете, стал пионером в области интегрированной фотоники. Ему приписывают изобретение решетчатой волноводной решетки (Arrayed Waveguide Grating (AWG)) - основного компонента современных цифровых соединений для Интернета и телефонов. Смит получил несколько наград, в том числе грант для передовых исследователей (ERC Advanced Grant), премию Rank в области оптоэлектроники и премию LEOS за технические достижения.
Благодаря новаторской работе Майнта Смита и Тона Бэккса за последние несколько десятилетий голландский сектор интегрированной фотоники приобрел известность. Бэккс был назначен рыцарем ордена Нидерландского Льва, среди прочего, за его роль в реформировании кафедры электротехники в Технологическом университете Эйндховена и в основании Института фотонной интеграции и PhotonDelta.
В октябре 2022 года во время эксперимента, проведенного в Датском техническом университете в Копенгагене, фотонный чип передал 1,84 петабита данных по волоконно-оптическому кабелю длиной более 7,9 километров. Сначала поток данных был разделен на 37 секций, каждая из которых передавалась по отдельной жиле волоконно-оптического кабеля. Затем каждый из этих каналов был разделен на 223 части, соответствующие равноудаленным всплескам света по всему спектру.
Сравнение с электронной интеграцией В отличие от электронной интеграции, где кремний является доминирующим материалом, системные фотонные интегральные схемы были изготовлены из различных систем материалов, включая электрооптические кристаллы, такие как ниобат лития, кремнезем на кремнии, кремний на изоляторе, различные полимеры и полупроводниковые материалы, которые используются для создания полупроводниковых лазеров, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP). Используются различные системы материалов, поскольку каждая из них обеспечивает различные преимущества и ограничения в зависимости от интегрируемой функции. Например, ФИС на основе кремнезема (диоксида кремния) обладают очень желательными свойствами для пассивных фотонных схем, таких как волноводной решетки, благодаря их сравнительно низким потерям и низкой тепловой чувствительности, ФИС на основе GaAs или InP позволяют напрямую интегрировать источники света, а кремниевые ФИС обеспечивают совместную интеграцию фотоники с транзисторной электроникой.
Технологии изготовления аналогичны тем, которые используются в электронных интегральных схемах, в которых фотолитография используется для формирования рисунка пластин для травления и нанесения материала. В отличие от электроники, где основным устройством является транзистор, здесь нет одного доминирующего устройства. Диапазон устройств, необходимых на чипе, включает в себя соединительные волноводы с малыми потерями, разделители мощности, оптические усилители, оптические модуляторы, фильтры, лазеры и детекторы. Для этих устройств требуется множество различных материалов и технологий изготовления, что затрудняет реализацию всех их на одном чипе.
Новые методы, использующие резонансную фотонную интерферометрию, открывают путь для использования УФ-светодиодов для оптических вычислений с гораздо меньшими затратами, что открывает путь к (петагерцовой) бытовой электронике.
Примеры фотонных интегральных схем Основное применение фотонных интегральных схем находится в области волоконно-оптической связи, хотя также возможны применения в других областях, таких как биомедицина и фотонные вычисления.
Волноводные решетки (AWG), которые обычно используются в качестве оптических (де)мультиплексоров в волоконно-оптических системах связи с разделением по длине волны (WDM), являются примером фотонной интегральной схемы, которая заменила предыдущие схемы мультиплексирования, в которых использовалось множество дискретных фильтрующих элементов. Поскольку разделение оптических мод является необходимостью для квантовых вычислений, эта технология может быть полезна для миниатюризации квантовых компьютеров (см. Линейные оптические квантовые вычисления).
Другим примером фотонного интегрированного чипа, широко используемого сегодня в волоконно-оптических системах связи, является лазер с внешней модуляцией (EML), который сочетает в себе лазерный диод с распределенной обратной связью и модулятор электропоглощения на одном чипе на основе InP.
Монолитные ФИС Устройства, все компоненты которых изготовлены путём введения примесей или структурирования материала подложки, называются монолитными ФИС. В качестве материала подложек для монолитных ФИС обычно используются GaAs или InP, которые называются AIIIBV соединениями, так как состоят из элементов, расположенных в III и V столбцах периодической таблицы Менделеева. В устройствах, изготавливаемых на подложках из AIIIBV соединений, используются примеси, позволяющие управлять шириной запрещённой зоны и, следовательно, рабочей длиной волны активных устройств — лазеров и усилителей.
Немонолитные ФИС ФИС, не являющиеся монолитными, называются гибридными. Их обычно изготавливают на подложке из ниобата лития, кремния, стекла, реже — на подложке из полимеров. Ниобат лития используется в качестве подложки ввиду его высокого электрооптического коэффициента. Кремний — очень перспективный материал для создания ФИС, так как позволяет использовать технологии, разрабатываемые для электронных интегральных схем и, вероятно, самое главное, — позволяет объединять фотонные и электронные интегральные схемы. Стекло или оргстекло (полиметил метакрилат) имеют низкую себестоимость и широко распространены; кроме того, на основе ряда стекол, легированных редкоземельными элементами, можно изготавливать лазеры и оптические усилители. Однако, обычно из таких материалов не удаётся изготавливать монолитные устройства, поскольку некоторые функциональные устройства (к примеру, полупроводниковые лазеры) проще приклеить, чем интегрировать в материал подложки.
Приложения Поскольку глобальное потребление данных растет, а спрос на более быстрые сети продолжает расти, миру необходимо найти более устойчивые решения энергетического кризиса и изменения климата. В то же время на рынке появляется все больше инновационных приложений для сенсорных технологий, таких как лидар в автомобилях с автономным управлением. Необходимо идти в ногу с технологическими вызовами.
Расширение сетей передачи данных 5G и центров обработки данных, более безопасные транспортные средства с автономным управлением и более эффективное производство продуктов питания не могут быть устойчиво обеспечены только с помощью технологии электронных микрочипов. Однако объединение электрических устройств со встроенной фотоникой обеспечивает более энергоэффективный способ увеличения скорости и пропускной способности сетей передачи данных, снижения затрат и удовлетворения все более разнообразных потребностей в различных отраслях промышленности.
Данные и телекоммуникации
Основное применение ФИС находится в области волоконно-оптической связи. Волноводные решетки с решеткой (AWG), которые обычно используются в качестве оптических мультиплексоров (de) в волоконно-оптических системах связи с разделением по длине волны (WDM), являются примером фотонной интегральной схемы. Другим примером в волоконно-оптических системах связи является лазер с внешней модуляцией (EML), который сочетает в себе лазерный диод с распределенной обратной связью и модулятор электропоглощения. Например, EFFECT Photonics разрабатывает доступные и высокопроизводительные решения для оптической связи, такие как оптические приемопередатчики SPF+, которые помогают удовлетворить спрос на полосу пропускания и более быструю передачу данных.
ФИС также может увеличить полосу пропускания и скорость передачи данных за счет использования маломодовых оптических плоских волноводов. Особенно, если моды могут быть легко преобразованы из обычных одномодовых плоских волноводов в маломодовые и избирательно возбуждать нужные моды. Например, двунаправленный пространственный режим slicer и combine r могут быть использованы для достижения желаемых режимов более высокого или более низкого порядка. Принцип его работы зависит от каскадирования ступеней плоских волноводов V-образной и/или M-образной формы с градуированным индексом.
ФИС могут не только увеличить пропускную способность и скорость передачи данных, но и снизить энергопотребление в центрах обработки данных, которые тратят значительную часть энергии на охлаждение серверов. По сравнению с исключительно электронными решениями, ФИС выделяют гораздо меньше тепла и могут уменьшить потребность в охлаждении, снижая потребление энергии. Например, QuiX Quantum разрабатывает квантовые фотонные процессоры, которые позволяют квантовым фотонным компьютерам работать при комнатной температуре, что приводит к уменьшению размеров и стоимости.
Здравоохранение и медицина