Tytułowa dziedzina na przestrzeni lat rozwijała się powoli, odnotowując jednak stały postęp. Był on możliwy dzięki innowacjom w innych dziedzinach, pozwalającym pokonywać bariery techniczne, które wcześniej uniemożliwiały wytwarzanie scalonych, krzemowych struktur fotonicznych.
Fotonika krzemowa jako koncepcja pojawiła się w latach 80. zeszłego wieku, kiedy dostrzeżono potencjał, jaki niesie ze sobą wytwarzanie komponentów optycznych na podłożach krzemowych z wykorzystaniem technologii szybko rozwijającej się wówczas branży elektronicznej. Przez wiele lat niestety nie posunięto się w tym zakresie zbyt daleko, przede wszystkim przez ograniczenia samego krzemu.
Rozwój fotoniki krzemowej
Przełom nastąpił dopiero pod koniec lat 90. zeszłego wieku wraz rozwojem światłowodów, które umożliwiły wydajną transmisję światła w skali submikronowej. Przez lata udoskonalano techniki produkcji, zwiększając możliwości krzemowych urządzeń fotonicznych – opracowano sprzęgacze, modulatory, detektory i przełączniki optyczne w wersji scalonej.
Dzięki tym postępom fotonika krzemowa zaczęła być opłacalna w zastosowaniach komercyjnych. Jej popularyzacja była stymulowana przede wszystkim przez jej potencjał w komunikacji. Z czasem zainteresowano się nią też pod kątem wykorzystania w wysokowydajnych obliczeniach w centrach danych. Przyspieszenie nastąpiło około 2018 roku, kiedy odnotowano znaczący wzrost sprzedaży transceiverów opartych na fotonice krzemowej. Jak szacuje LightCounting, tendencja ta utrzyma się – według analityków tej firmy wartość rynku układów fotonicznych na bazie krzemu zwiększy się z 0,8 mld dolarów w 2023 roku do nieco ponad 3 mld dolarów w 2029.
Scalone układy fotoniczne PIC (Photonic Integrated Circuits) wykonuje się zwykle na podłożu SOI w technologii CMOS. Dzięki wykorzystaniu w tym celu procesów o dobrze ugruntowanej pozycji w dziedzinie produkcji układów scalonych, również produkcja masowa układów PIC jest opłacalna i łatwo skalowalna.
Krzem materiałem dla fotoniki
Krzem jest podstawowym materiałem w przemyśle elektronicznym. Wynika to z jego właściwości półprzewodnikowych oraz struktury, w której każdy atom ma cztery elektrony walencyjne i tworzy wiązania kowalencyjne z innymi atomami Si. W taki sposób powstaje stabilna i wytrzymała sieć krystaliczna. W fotonice znaczenie mają jednak inne właściwości krzemu.
Istotny jest duży współczynnik załamania światła, zwłaszcza w zakresie podczerwieni. Dzięki temu krzem może skuteczniej ukierunkowywać światło niż inne materiały, które są używane w fotonice. Wysoki współczynnik załamania światła pozwala na efektywną kontrolę strumienia świetlnego w ograniczonej przestrzeni, co z kolei umożliwia wykonywanie kompaktowych układów fotonicznych o dużym zagęszczeniu struktur optycznych. Ważna jest również zgodność przedziału długości fal w paśmie podczerwieni, dla których krzem jest przezroczysty (w szczególności 1,3 i 1,55 μm), z tymi sygnałów świetlnych powszechnie wykorzystywanych w komunikacji optycznej za pośrednictwem światłowodów, co oznacza brak strat mocy sygnału. Znaczenie ma oprócz tego wspomniana już kompatybilność krzemu z technologią CMOS.
Ograniczenia krzemu
Niestety Si ma też ograniczenia, przez które, jak pisaliśmy, postęp w dziedzinie fotoniki krzemowej na początku był spowolniony. Przede wszystkim krzem jest zaliczany do grupy półprzewodników o pośredniej (indirect) przerwie energetycznej. Wpływa to na przebieg rekombinacji radiacyjnej, czyli bezpośredniego przejścia elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego podczas emisji fotonu. W procesie tym kluczowe jest, aby zarówno energia, jak i pęd były zachowane.
W zależności od kształtu pasma zabronionego materiały półprzewodnikowe klasyfikuje się na te z bezpośrednią (direct) albo pośrednią przerwą energetyczną. W przypadku półprzewodników pierwszego rodzaju dziury na górze pasma walencyjnego mają taki sam pęd, jak elektrony na dole pasma przewodnictwa. W rezultacie elektrony bezpośrednio rekombinują z dziurami, emitując fotony, a energia fotonu jest równa przerwie energetycznej (rys. 2a).
W półprzewodnikach drugiego typu (rys. 2b) dziury na górze pasma walencyjnego i elektrony na dole pasma przewodnictwa mają różne pędy, każda rekombinacja między nimi wymagałaby zatem jego zmiany. Chociaż foton może mieć dużą energię, jego pęd jest znacznie mniejszy. Przez to nie może on zrekompensować niedopasowania pędu między elektronami i dziurami. Rekombinacja radiacyjna w materiałach półprzewodnikowych o pośredniej przerwie energetycznej nie jest więc możliwa, o ile nie zostanie w nią zaangażowana trzecia cząstka, jak na przykład fonon emitowany w wyniku drgań sieci krystalicznej, który zapewni wymagany pęd.
Fotoniczne konstrukcje hybrydowe
Si, zaliczany do półprzewodników drugiego typu, jest zatem nieefektywnym źródłem światła. Poza tym, jak pisaliśmy, przerwa energetyczna krzemu jest zbyt szeroka, aby wykryć sygnały optyczne o długości fali 1,3 i 1,55 μm. Si nie ma również właściwości elektrooptycznych umożliwiających realizację funkcji modulatora. Pokonanie tych ograniczeń było głównym celem badań w dziedzinie fotoniki krzemowej w początkach jej rozwoju, w które zaangażowane były czołowe firmy z branży elektronicznej, takie jak IBM czy Intel.
Ich rezultatem były liczne rozwiązania, przede wszystkim oparte na połączeniach hybrydowych. W tym przypadku właściwości fotoniczne zapewniają umieszczane na podłożu krzemowym struktury wykonane z półprzewodników grup III–V z bezpośrednią przerwą energetyczną, o odpowiedniej jej szerokości oraz właściwościach elektrooptycznych jak fosforek indu. Osadza się je w procesie epitaksji, podejście to jest niestety mało wydajne i skomplikowane. Alternatywą jest łączenie na przykład struktury krzemowej, w obrębie której wykonano światłowody, ze strukturą z fosforku indu, zapewniającą wzmocnienie optyczne. Wymaga to jednak dużej precyzji ich wyrównania.
Komponenty fotoniki krzemowej
Elementy fotoniki krzemowej wchodzące w interakcje ze światłem na poziomie układu scalonego realizują różne funkcje, od kierowania i modulowania sygnałów optycznych, po ich wykrywanie oraz przekształcanie w sygnały elektryczne. Są to m.in. światłowody, modulatory, które zmieniają właściwości światła, jak natężenie, faza, częstotliwość, w celu kodowania informacji, fotodetektory oraz multipleksery i demultipleksery, rozdzielające i łączące sygnały świetlne. Dalej przedstawiamy szerzej wybrane z tych komponentów.
W światłowodach zrealizowanych w podłożu SOI rdzeń stanowi krzem, zaś funkcję płaszcza pełni tlenek izolatora. Popularne konstrukcje to m.in. światłowody żebrowe, szczelinowe oraz paskowe. Ostatnie, zapewniając efektywne kontrolowanie strumienia świetlnego oraz niskie straty propagacji, sprawdzają się w scalonych układach fotonicznych o dużym zagęszczeniu struktur optycznych. Światłowody szczelinowe z kolei charakteryzuje większa czułość na interakcję światło–otoczenie, dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowań takich, jak detekcja i modulacja.
Modulatory w fotonice
Modulatory realizuje się m.in. w postaci interferometru Macha-Zehndera. Jak pokazano na rysunku 3, jest on zbudowany z dwóch rozdzielaczy wiązki do dzielenia i łączenia sygnałów świetlnych i ma dwa wyjścia, do których można podłączyć na przykład fotodetektory. Długości ścieżek optycznych w obu ramionach mogą być takie same (jak na rys. 3) albo różne, na przykład dzięki włączeniu w jedno z ramion dodatkowej linii opóźniającej. Rozkład mocy optycznych na dwóch wyjściach zależy od różnicy długości ramion interferometru i długości fali światła. W modulatorach tych wykorzystuje się efekt elektrooptyczny, który polega na zmianie opóźnienia fazy optycznej (charakteryzowanego przez współczynnik załamania ośrodka) wywołanej przyłożeniem pola elektrycznego. Wpływając w ten sposób na sygnał tylko w jednym ramieniu interferometru, po zsumowaniu sygnałów z jego obu gałęzi, uzyskuje się na wyjściu sygnał zmodulowany.
Inny przykład to modulatory elektroabsorpcyjne, wykonane na przykład jako hybrydowe połączenie germanu na krzemie. Wyróżnia je kompaktowość oraz niskie zużycie energii. Zasada ich działania opiera się na zmianie widma absorpcji wywołanej przyłożonym polem elektrycznym zmieniającym energię przerwy energetycznej. Modulatory te zazwyczaj mają postać światłowodu z elektrodami do przyłożenia pola elektrycznego, skierowanego prostopadle do kierunku, w jakim rozchodzi się modulowana wiązka światła. W porównaniu z modulatorami elektrooptycznymi te elektroabsorpcyjne działają przy znacznie niższych napięciach. Poza tym sprawdzają się w transmisji sygnałów z dużą prędkością.
Podsumowanie
Jednym z głównych zastosowań fotoniki krzemowej są centra danych i komunikacja – komponenty optyczne zapewniają szybszą transmisję danych, mniejsze opóźnienia i mniejsze zużycie energii w porównaniu ze swoimi tradycyjnymi odpowiednikami, a jak wiadomo, wraz z rozwojem sztucznej inteligencji wymagania w tym zakresie wciąż rosną. Możliwość manipulowania światłem w skali nano ma ogromny potencjał w dziedzinie produkcji wysoce czułych i kompaktowych czujników do różnych zastosowań, w tym monitorowania środowiska, sterowania procesami przemysłowymi i diagnostyki biomedycznej (lab on chip). Duże są też oczekiwania, jeżeli chodzi o wpływ fotoniki krzemowej na postęp w dziedzinie kompaktowych oraz ekonomicznych systemów obrazowania o wysokiej rozdzielczości.
Monika Jaworowska
