Чип

Интегральные схемы на основе кремния следовали закону Мура и были обусловлены многими технологическими достижениями в области полупроводниковых технологий. Теперь исследователи выходят за рамки традиционных схемных архитектур с появлением фотонных ИС. Однако отсутствие надежного лазерного источника на кремниевых чипах было основным препятствием, ограничивающим потенциал кремниевых фотонных ИС.

В этой статье мы рассмотрим новое исследование Стэнфордского университета, посвященное этим проблемам.

Лазеры являются ключевыми компонентами оптических систем на кристалле, но техническая проблема, связанная с изоляторами, затрудняет их обслуживание на кристаллах. Свет лазера может отражаться сам по себе и дестабилизировать или вывести из строя его. Поэтому в традиционных оптических волокнах и громоздких оптических системах используются оптические изоляторы, использующие эффект Фарадея. Хотя этот подход можно воспроизвести на чипах, масштабируемость остается проблемой, поскольку он несовместим с технологией CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник).

Также были достигнуты успехи в создании безмагнитных изоляторов или изоляторов, не использующих эффект Фарадея. Однако они приводят к созданию сложных и энергоемких систем.

Исследователи из Стэнфордского университета в своей статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, предполагают, что идеальный изолятор должен быть полностью пассивным и не магнитным, масштабируемым и совместимым с КМОП-технологией. Они создали эффективный пассивный микросхемный изолятор из известных полупроводниковых материалов.

Оптический изолятор пропускает свет только в одном направлении, эффективно подавляя отраженные волны. В изоляторах, основанных на эффекте Фарадея, используются ротаторы Фарадея, основной компонент изоляторов, который вызывает вращение поляризации света при приложении магнитного поля.

В поляризационно-зависимых изоляторах используются входной поляризатор, вращатель Фарадея и выходной поляризатор. Для света, движущегося в обратном направлении, входной поляризатор поляризует свет на 45 градусов. Вращатель Фарадея снова повернется на 45 градусов. Поскольку выходной поляризатор расположен вертикально, отраженный свет с горизонтальной поляризацией будет подавлен.

С другой стороны, поляризационно-независимые изоляторы сначала разделяют ортогональные компоненты входного луча с помощью поляризатора. Затем они пропускают их через ротатор Фарадея и объединяют во входном поляризаторе. Отраженный свет появится со смещением и не сможет пройти.

Такие системы очень сложно реализовать на микросхемах, поскольку они несовместимы с технологией КМОП.

Интегрированные изоляторы непрерывного действия, которые продемонстрировали исследователи из Стэнфорда, работают с эффектом Керра. Он изготовлен из нитрида кремния (SiN), одного из распространенных полупроводниковых материалов, и его легко производить массово.

Эффект Керра предполагает, что изотропное вещество становится двулучепреломляющим под действием электрического поля и что электрическое поле, создаваемое светом, вызывает изменение показателя преломления материала, которое будет пропорционально освещенности света.

Последний эффект становится гораздо более значительным при использовании интенсивных лучей, таких как лазеры. Эффект Керра в кольце SiN нарушает вырождение между модами кольца по часовой стрелке и против часовой стрелки и позволяет передавать волны несимметричным образом.

Первичный лазерный луч проходит через кольцо SiN, заставляя фотоны вращаться вокруг кольца по часовой стрелке. Одновременно отраженный луч заставляет фотоны вращаться против часовой стрелки.

Циркуляция внутри кольца приводит к накоплению энергии. Увеличение мощности влияет на более слабый луч (в данном случае на отраженный луч), в то время как более сильный луч остается незатронутым.

Елена Вучкович, профессор электротехники в Стэнфорде и старший автор исследования, и ее команда построили прототип в качестве доказательства концепции и продемонстрировали соединение двух кольцевых изоляторов в каскад для достижения превосходных характеристик. Они также сообщают, что, изменяя связь кольцевых резонаторов, можно добиться компромисса между изоляцией и потерями, связанными с связью.