Достижения в области проектирования, моделирования и производства продолжают подталкивать фотонные интегральные схемы (PICs) к уменьшению размеров, что обеспечивает более широкие возможности для каждого чипа, пишет Лиам Критчли.

Современная оптика и фотоника, в которых манипулируют светом и передают его, уже произвели революцию в области связи с помощью оптических волокон и усилителей. PICs - это следующий этап развития передовых фотонных систем, и они намного меньше, чем многие другие оптические системы. Фотоны, по сути, являются фотонным эквивалентом очень маленьких электронных полупроводниковых чипов и по мере их дальнейшего развития становятся все меньше и совершеннее.

PIC, также известный как планарная световолновая схема или интегральная оптическая схема, представляет собой микрочип, который использует фотоны света вместо электронов для генерации, передачи и обработки информации. Электронным эквивалентом является интегральная схема (IC). Микросхема будет иметь встроенные электронные компоненты, такие как резисторы, катушки индуктивности, транзисторы и конденсаторы, которые получают питание с помощью электронов.

С другой стороны, PICS имеют свои собственные эквивалентные компоненты, включая волноводы, которые эквивалентны проводам, лазерам, поляризаторам, оптическим усилителям, фотоприемникам и фазовращателям. Эта комбинация компонентов отвечает за генерацию, транспортировку, модификацию и измерение видимого или ближнего инфракрасного излучения по всему изображению.

“PICs и обычные электронные микросхемы имеют общую цель - интегрировать сложные функциональные возможности в компактные, масштабируемые микросхемы. Однако они принципиально отличаются по носителям информации, что приводит к различиям в философии дизайна, ограничениях производительности и приложениях”, - говорит Хуэйюн Лю, профессор полупроводниковой фотоники в Калифорнийском университете. “Электронные схемы используют электроны, в то время как PICs используют фотоны, управляемые оптическими волноводами”.

Хуэйюнь Лю, профессор полупроводниковой фотоники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе

Материалы, используемые в микросхемах и PICs, также различаются. Электронные системы в основном создаются с использованием кремниевых материалов с использованием комплементарного производства металл-оксид-полупроводник. Однако PICs создаются с использованием целого ряда электрооптических кристаллов, таких как нитрид кремния, ниобат лития, арсенид галлия и фосфид индия.

Фотоны могут передавать информацию на чрезвычайно высоких частотах (сотни ТГц) и не подвержены перекрестным электрическим и электромагнитным помехам. Это делает их хорошо подходящими для передачи данных с высокой пропускной способностью и на большие расстояния, поскольку электронные соединения сталкиваются с резистивными и емкостными потерями. “Электроника превосходна в области логики, памяти и управления, но ее пропускная способность и рассеиваемая мощность при высоких скоростях передачи данных невелики”, - говорит Лю. “PICs обеспечивают сверхвысокую плотность полосы пропускания за счет мультиплексирования с разделением длин волн и снижают энергопотребление на передаваемый бит для линий связи средней и большой протяженности. Фотографии дополняют электронику, а не заменяют ее”.

В то время как электронные микросхемы выигрывают от десятилетий масштабирования CMOS и зрелых библиотек стандартизированных устройств, Лю говорит, что PICs молодеют и сталкиваются с проблемами: “поскольку кремний не подходит для фотонных излучателей, таких как лазеры, интеграция III–V/Si, включая лазеры на квантовых точках на кремнии, играет решающую роль, обеспечивая масштабируемость, встроенные источники света, совместимые с технологией производства CMOS”.

Схемы в PICs - это оптические каналы, которые позволяют свету распространяться вдоль микросхемы и управляться с помощью небольших компонентов на кристалле. Схема может варьироваться в зависимости от применения PIC. По мере того как фотонные компоненты становятся все меньше и эффективнее, возможность интегрировать больше фотонных компонентов в чип повышает ценность PICs для оптоэлектронных устройств.

Каждый компонент в PIC является либо источником, модулятором, усилителем, несущей или детектором сигнала и подразделяется на пассивные и активные компоненты. Пассивные компоненты PIC не имеют электрического входа и являются чисто оптическими, в то время как активные компоненты имеют какой-либо электрический вход (модулирующий) или выходной сигнал (чувствительный) и являются оптоэлектронными по своей природе.

В таблице ниже показаны основные компоненты на рисунке и их основные функции:

“Интерес к фотонным интегральным схемам возрос, поскольку перемещение данных, а не вычисления, в настоящее время является основным узким местом в современных цифровых системах, особенно в центрах обработки данных и инфраструктуре искусственного интеллекта”, - говорит Лю. Скорость света по сравнению с электронами позволяет передавать данные намного быстрее, и это может помочь центрам обработки данных и инфраструктуре искусственного интеллекта стать намного эффективнее.

Несмотря на то, что PICS не так совершенны, как электронные микросхемы, они обладают рядом неоспоримых преимуществ. По сравнению с другими оптоэлектронными системами, в одном и том же пространстве может поместиться гораздо больше функциональных компонентов. Интерес к фотонным чипам здесь аналогичен интересу к электронным чипам по той же причине. Единственное различие заключается в способе передачи данных. PICs имеют меньшие размеры, чем другие оптические и фотонные системы, поэтому их можно использовать для создания оборудования для передачи данных меньшего размера, и они имеют меньшее количество отказов, чем другие фотонные системы, поэтому они более надежны.

По сравнению с электронными схемами, фотоны света не только движутся быстрее электронов, но и более эффективны, чем электронные схемы, поскольку электрическое сопротивление в традиционных схемах генерирует больше тепла, что приводит к более высоким потерям мощности сигнала, чем в PICs. Как ранее отмечал Лю, PICs дополняют микросхемы, а не конкурируют с ними, и это потому, что PICs можно комбинировать с микросхемами в монолитных микрочипах и оптоэлектронных системах.

Несмотря на интерес и преимущества PICs, они являются сложными устройствами, требующими тщательного инженерного проектирования. Поведение сверхбыстрых фотонов и их взаимодействие с различными материалами, а также модификация света, то есть изменения частоты, амплитуды и фазы сигнала, наблюдаемые внутри изображения, создают сложную физику внутри изображения.

“Наиболее серьезная проблема заключается в том, что кремний не может эффективно генерировать свет, хотя лазеры необходимы для оптических соединений”, - говорит Лю. “Однако интеграция III–V/Si позволяет комбинировать высокоэффективные лазерные материалы с кремниевыми фотонными платформами, склеивание пластин и эпитаксиальный рост в настоящее время достаточно развиты для массового производства, а лазеры на квантовых точках на кремнии особенно перспективны, поскольку обеспечивают меньшую чувствительность к дефектам, улучшенную температурную стабильность и более длительный срок службы устройств.”

Стоимость и сложность упаковки PIC - это одна из самых дорогостоящих составляющих продукта, содержащего PICs. Сборка на уровне пластин и панелей, а также использование новых материалов корпуса помогают снизить некоторые затраты и оптимизировать производство. Предполагается, что в следующем году PICs будут иметь тот же масштаб и структуру затрат, что и другие высокотехнологичные продукты, где около 80% затрат приходится на материалы, а 20% - на сборку и тестирование.

Методы моделирования помогают сократить цикл проектирования и усовершенствовать конструкцию еще до создания единого физического прототипа. “Для решения уникальных задач проектирования PIC необходимы специальные возможности фотонного моделирования и компоновки. Наличие нужных инструментов для моделирования и реализации макета не только сокращает цикл проектирования, но и сокращает количество циклов, необходимых для успешного проектирования”, - говорит Лю. Благодаря передовому программному обеспечению для моделирования и высокопроизводительным вычислениям в задачах проектирования PIC становится все проще ориентироваться.

Технологии PICs постоянно расширяются и находят все новые области применения по мере совершенствования методов моделирования и производства. Эти достижения помогают разрабатывать и производить более компактные, усовершенствованные, высокопроизводительные и универсальные технологии PICs, что открывает возможности для новых применений в области связи, зондирования, вычислительной техники и обработки данных. Вот некоторые из отраслей, где фотографии начинают набирать обороты:

Оптическая связь: одно из наиболее очевидных применений, учитывая зависимость от малогабаритных оптических компонентов, используемых в коммуникациях. PICs могут использоваться в качестве усилителей и мультиплексоров для улучшения передачи данных по высокоскоростным волоконно-оптическим сетям, в то время как PIC-трансиверы могут подключать компьютеры и вышки сотовой связи. В будущем PICs сможет подключать несколько интеллектуальных транспортных средств/программно-определяемых транспортных средств в сети smart city, используя технологию light fidelity.

Лидарное зондирование: ЛиДАР, обычно используемый в автономных транспортных средствах, использует импульсы лазерного излучения для составления карты местности, а фотоприемники необходимы для получения определенных световых импульсов, которые посылаются лидарным передатчиком.

Лаборатория на чипе: PICs можно использовать в диагностике "лаборатория на чипе" для выявления различных заболеваний. Платформы Lab-on-a-chip содержат оптические и электронные компоненты, поскольку свет используется для измерения проб жидкости в месте оказания медицинской помощи, а электроника обеспечивает считываемый результат. Поскольку lab-on-a-chip - это небольшие устройства с меньшими каналами, небольшой размер PICs делает их очень полезными для этих диагностических платформ.

Квантовые вычисления: Создаются квантовые компьютеры, в основе кубитов которых лежат либо электроны, либо фотоны. Для фотонных квантовых вычислений маломасштабные PICS будут иметь решающее значение для контроля и измерения квантовых состояний, а также для обеспечения связи между классическими и квантовыми компьютерами и создания квантовых сетей между несколькими квантовыми компьютерами.

Искусственный интеллект и машинное обучение (ML): PICs обладает большим потенциалом в области искусственного интеллекта/ML и потенциально является одной из самых перспективных областей развития. В настоящее время PICs используются для эффективной оптической связи между компьютерами. Однако в будущем нейронные сети могут извлечь большую пользу из PICs, а что касается моделирования, то моделирование с помощью искусственного интеллекта помогает разрабатывать более эффективные PICs, которые лучше подходят для операций ИИ / ML / приложений.

Отвечая на вопрос о том, как будет выглядеть индустрия PIC в следующем году, Лю сказал изданию Electronics Weekly, что “на мой взгляд, будущее PICs заключается в постепенном приближении оптики к тому месту, где генерируются и обрабатываются данные. В течение следующих пяти лет PICs будет по-прежнему активно внедряться в центрах обработки данных, а также в соединениях искусственного интеллекта с использованием технологии wafer bonding, что обусловлено необходимостью увеличения пропускной способности и снижения энергопотребления на бит. Кроме того, оптический ввод–вывод и более тесная электронно-фотонная монолитная интеграция III-V и Si, вероятно, изменят архитектуру систем, особенно для крупномасштабных ИИ с высокой плотностью и низкой стоимостью”.

Лиам Критчли - независимый технологический журналист

Смотрите также: 76–я Конференция ECTC, 26-29 мая, Орландо - Информационный бюллетень