Integracja optyki w układach scalonych

Do wytwarzania fotodetektorów i czujników wykorzystuje się krzem i inne materiały półprzewodnikowe. Niektóre duże firmy, jak Agere, Infineon czy Siemens, produkują również fotodetektory i sensory typu solid-state. Przykładem tego trendu mogą być wysokowydajne produkty firmy Texas Advanced Optoelectronics Solutions (TAOS), przetwarzające światło na napięcie, kolor lub na sygnały cyfrowe czy częstotliwość.

Na rynku dostępne są także krzemowe fotopowielacze CMOS bazujących na detektorach solid-state. Wykonane są w technologii FCOG (flip chip on glass), operują w paśmie od 400 do 850nm i mają wydajność porównywalną ze standardowymi fotopowielaczami i fotodiodami lawinowymi.

Nowe materiały

Rys.1. Wzrost rynku komponentów optoelektroniki oraz nowo powstających technologii z uwzględnieniem wyświetlaczy LCD oraz LED (Źródło: Optoelectronics Industry Development Association)

Dla urządzeń o większym paśmie przenoszenia stosowanych w aplikacjach komunikacyjnych lub obliczeniowych większe wyzwanie stanowią złożone materiały półprzewodnikowe. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele układów zapewniających wysoką wydajność, a inne są w trakcie rozwoju lub na etapie wdrażania. Firmy osiągają postępy w tworzeniu wysokowydajnych detektorów, falowodów, modulatorów, laserów, przełączników, filtrów, multiplekserów, wzmacniaczy oraz innych urządzeń przydatnych w optoelektronice. Rozwój produktów skupia się przede wszystkim na wykorzystaniu krzemu (Si), germanu (Ge) oraz fosforku indu (InP).

Najistotniejsze dla urządzeń optoelektronicznych o wysokim paśmie przenoszenia, czyli głównie modulatorów optycznych dla telekomunikacji, jest połączenie takich materiałów w procesach CMOS, w formie monolitycznej lub hybrydowej, co pozwoli zmniejszyć koszty produkcji, obudowywania oraz testowania. Zwiększyłoby to również niezawodność i wydajność do poziomów spełniających obecne oraz przyszłe wymagania komunikacyjne i obliczeniowe. Jednak nie jest do końca oczywiste, czy w produkcji wydajnych urządzeń optoelektronicznych możliwe jest zastosowanie procesów CMOS, gdyż przeznaczone na rynek masowy aplikacje dla tego typu urządzeń jak na razie nie istnieją.

Sytuacja na rynku

Rys.2. Detektor firmy Intel o szybkości 30Gbit/s, światło przechodzące krzemowym falowodem trafia do germanowego fotodetektora (a), przekrój poprzeczny fotodiody znajdującej się na końcu falowodu (b). Źródło: Intel

Według najnowszych badań organizacji Optoelectronics Industry Development Association (OIDA), przewidywany jest stabilny rozwój w dziedzinie komponentów do urządzeń optoelektronicznych. OIDA oczekuje stałego wzrostu zarówno składników elektroniki, jak i nowo powstających technologii, przy całkowitym wzroście branży z 0,6 mld dol. w roku 2007 do 1,2 mld dol. w roku 2017 (rys. 1).

Jednym z pierwszych komercyjnych produktów zaawansowanej optoelektroniki krzemowej jest skonstruowany w 2002 roku dokładny, wielokanałowy dynamiczny korektor poziomu wzmocnienia firmy Silicon Light Machines. Moduł bazuje na technologi MEMS i procesie CMOS oraz zawiera laserową głowicę naświetlającą GLV (Grating Light Valve) i modulator optyczny. Urządzenie składa się z wielu równoległych pasków wykonanych z azotku krzemu (SiN2), pokrytych aluminium i zawieszonych ponad szczeliną powietrzną.

W zależności od napięcia elektrostatycznego paski są odchylane w górę lub w dół, działając jak tłumiki optyczne reagujące na sygnał świetlny. Urządzenie jest stosowane do multipleksowania sygnałów optycznych WDM (Wavelength Division Multiplexing) w aplikacjach komunikacyjnych, wyświetlaczach o wysokiej rozdzielczości oraz w zaawansowanych aplikacjach wideo.

Rys.3. Germanowy fotodetektor firmy Luxtera, skonstruowany przez wzrost germanu na podłożu krzemowym. Źródło: Luxtera

Wytwarzanie bardziej złożonych i scalonych urządzeń optoelektronicznych w standardowych procesach, takich jak CMOS, jest dużo bardziej wymagające niż produkcja fotodetektorów.

Rys.4a. Kabel optyczny Firmy Luxtera

Przerwa energetyczna krzemu jest zbyt duża w porównaniu do innych materiałów, co nie pozwala na efektywną pracę w paśmie podczerwonym, wykorzystywanym do komunikacji optycznej oraz w obwodach modulatorów. Jednak oprócz prac nad zastosowaniem procesów CMOS prowadzony jest dalszy rozwój optoelektroniki. W laboratoriach osiągnięto znaczny postęp w dziedzinie urządzeń krzemowych o szerokim paśmie przenoszenia. Rok temu naukowcy Intela stworzyli najszybszy na świecie krzemowy modulator optyczny, przetwarzający dane z szybkością 30 gigabitów na sekundę.

Dwa lata wcześniej Intel zademonstrował 10-gigabitowy krzemowy modulator, w którym promień świetlny przechodzi przez diody krzemowe, gdzie jest rozdzielany na dwie wiązki. Przyłożenie napięcia do diod przesuwa fazę lub pozycję wiązki światła. W ten sposób dane kodowane są do postaci binarnej w formie zer i jedynek. Maksymalna przepustowość uzyskana przez Intela jest zbliżona do wykorzystywanej w nowoczesnych systemach komunikacyjnych przepustowości 40Gbit/s.

Rys.4b. Optyczny transceiver znajdujący się na końcach kabla

Według firmy, po niewielkim ulepszeniu składu chemicznego diod, można spodziewać się komercjalizacji przepustowości na poziomie 40Gbit/s w roku 2010. Ponadto, dzięki umieszczeniu dwudziestu pięciu 40-gigabitowych modułów w jednym układzie możliwe będzie osiągnięcie optycznej transmisji danych na poziomie jednego terabita na sekundę.

Naukowcy z IBM stworzyli krzemowy modulator optyczny o ultraniskiej mocy, który jest od 100 do 1000 razy szybszy niż wcześniej dostępne urządzenia. Wykorzystuje on interferometr Macha-Zendera, składający się z 200-mikrometrowych obszarów p-i-n o około 0,12µm2 efektywnej powierzchni układu scalonego.

Jeszcze lepszą wydajność urządzeń optoelektronicznych można osiągnąć dzięki połączeniu krzemu z germanem oraz InP. Intel skonstruował germanowo-krzemowe fotodetektory o paśmie przenoszenia 29,4GHz i efektywności kwantowej na poziomie 93% (rys. 2). Według Intela, jest to maksimum, jakie osiągnięto w fotodetektorze dla fal o długości 1550nm. Jednak, aby uzyskać wymagane przez nowoczesne systemy komunikacyjne pasmo 40GHz niezbędne jest większe wzmocnienie, które wynosi obecnie zaledwie 16dB. W rozwiązaniu tej kwestii może pomóc zastosowanie fotodetektora wraz z szybkim, transimpedancyjnym wzmacniaczem o dopasowanej impedancji.

Rys.5. Standardowy proces zastosowany przez naukowców IBM do produkcji krzemowego lasera optycznego na podłożu InP (a), prąd płynie w momencie przyłożenia napięcia do styków - elektrony (-) oraz dziury (+) łączą się na środku, tworząc wiązkę światła (b). Źródło: IBM

Podobne badania dotyczące integracji germanu z krzemem prowadzone są na Massachusetts Institute of Technology. Aby osiągnąć niedopasowanie sieci krystalicznych germanu i krzemu na poziomie 4%, naukowcy stosują podejście hybrydowe. Krzem jest pokrywany cienką warstwą germanu w niskotemperaturowym procesie napylania. Następnie w procesie wysokotemperaturowym tworzona jest grubsza warstwa germanu, po czym całą utworzoną strukturę hartuje się w celu minimalizacji liczby dyslokacji. Dotychczas naukowcy osiągnęli detektory o efektywności 90% oraz czułości na poziomie 1,08 A/W dla pasma 1550nm.

Rys.6a. Krzemowy wzmacniacz optyczny SOA produkcji CIP domieszkowany erbem

Integracją germanu z krzemem zajmuje się również firma Luxtera. Zastosowała ona w procesie produkcji krzem pokryty germanem, czego wynikiem są fotodetektory o znacznie wyższej wydajności (rys. 3). Dzięki wykorzystanej metodzie produkcja i testowanie są mniej kosztowne, a wzrost germanu i proces jego wytworzenia dokonywany jest przed wykonaniem styków elektrycznych. Germanowy fotodetektor firmy przeznaczony jest do przyszłych aplikacji takich, jak wideokonferencje oraz telewizja HDTV. Swoje optyczne procesy CMOS Luxtera wykorzystuje także do produkcji kabla optycznego Blazar (rys. 4a i 4b).

Jest to pierwszy kabel zapewniający dwustronną transmisję na poziomie 40Gbit/s (cztery kanały po 10Gbit/s każdy), a aplikacje, do których jest przeznaczony, obejmują wysokowydajne klastry obliczeniowe oraz zastosowania komercyjne. Ponadto jest cienki, elastyczny, lekki i solidny oraz może mieć długość od 1 do 300 metrów.

Na ratunek – fosforek indu

Rys.6b. Wzmacniacze SOA są umieszczone na krzemowym nośniku znajdującym się w obwodzie optycznym

W procesach tworzenia wysokowydajnych półprzewodnikowych urządzeń optycznych dobrym rozwiązaniem może być zastosowanie fosforku indu. Naukowcy Intela zbudowali hybrydowe urządzenie wykorzystujące InP do emisji i wzmocnienia światła. Moduł został połączony z krzemowym falowodem, tworzącym wnękę laserową i decydującym o wydajności lasera (rys. 5). Najistotniejszą kwestią w takim przypadku jest fakt, że sieci krystaliczne InP oraz krzemu nie muszą być dokładnie dopasowane. Alternatywne metody produkcji wymagające takiego dopasowania są nieopłacalne w produkcji masowej.

Nowe podejście łączy zdolności emisyjne InP z możliwościami krzemu do kierowania wiązką światła. Według Intela w przyszłości możliwe będzie zintegrowanie tysięcy laserowych układów scalonych w postaci jednolitej struktury w tysiącach krzemowych modulatorów, gdzie każdy laser będzie mógł emitować wiązkę światła o innej długości fali.

Skutecznym wykorzystaniem InP może się pochwalić również brytyjska Center for Integrated Photonics. Rok temu firma ta rozpoczęła sprzedaż półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych (SOA) domieszkowanych erbem i osiągających wysoką wydajność w optycznych sieciach komunikacyjnych o przepustowości 100Gbit/s (rys. 6). Wzmacniacz SOA operujący w paśmie 1550nm wykorzystuje bardzo małe lasery (0,1mm3 objętości) o wzmocnieniu około 30dB. Układ ma wymiary 2000 x 500 x 150µm, a do wygenerowania pożądanych efektów nieliniowych wymaga mniej niż 10-13 J energii. Według firmy, SOA będzie przydatny w architekturach optycznych o przepustowości 100Gbit/s.

Komunikacja optyczna - kiedy?

Rys. 7. Koncepcja zmian w podłoży dla telekomunikacji optycznej (źródło: Optoelectronics Industry Development Association)

Upowszechnienie scalonych układów optycznych jest na wyciągnięcie ręki, jednak wciąż istnieje wiele przeszkód w kwestiach komunikacji z komputerem i telekomunikacji. Kluczowe problemy dotyczą testowania i produkcji podłoży optycznych, które mają w przyszłości zastąpić płytki drukowane z połączeniami miedzianymi (rys. 7). Aby optoelektronika stała się technologią dominującą niezbędny jest postęp w dziedzinie połączeń falowodów, bezpośredniej komunikacji między układami, czy laserów z pionową wnęką emitujących powierzchniowo (VCSEL).

Pomimo stałego rozwoju urządzeń optoelektronicznych, ciągły postęp w dziedzinie tańszych technik wykorzystujących druty miedziane jak dotąd wystarczał do spełnienia obecnych wymagań w zakresie przepustowości komunikacji. Jednak w przyszłości miedź nie będzie już w stanie sprostać wymaganiom transmisji giga- i terabitowej, więc naturalną alternatywą stanie się komunikacja optyczna. Już obecnie zdarza się, że wykorzystanie metod optycznych na dystansach od 10 do 100 metrów jest bardziej ekonomiczne, a ze względu na rosnące oczekiwania w zakresie szybkiej transmisji danych oraz z powodu postępującego spadku cen, będą one stosowane także na krótszych odległościach.

Według Intela, krzemowe modulatory optyczne i lasery będą łatwo dostępne w ciągu kilku lat. Firma oczekuje, że komunikacja optyczna osiągnie pasmo teraherców oraz przepustowość na poziomie tysięcy gigabitów na sekundę. Celem Intela jest budowa scalonego układu optycznego, który będzie w stanie wysyłać i odbierać dane z szybkością 1Tbit/s za pośrednictwem wiązki światła, co przyczyni się do znacznych zmian w technice obliczeniowej.

Grzegorz Michałowski