Los dispositivos fotónicos de silicio se pueden fabricar utilizando técnicas de fabricación de semiconductores existentes y, como el silicio ya se utiliza como sustrato para la mayoría de los circuitos integrados , es posible crear dispositivos híbridos en los que los componentes ópticos y electrónicos se integren en un solo microchip. [6] En consecuencia, muchos fabricantes de productos electrónicos, incluidos IBM e Intel , así como grupos de investigación académicos, están investigando activamente la fotónica de silicio como un medio para mantenerse al día con la Ley de Moore , mediante el uso de interconexiones ópticas para proporcionar una transferencia de datos más rápida tanto entre y dentro de microchips . [7] [8] [9]
La propagación de la luz a través de dispositivos de silicio está gobernada por una variedad de fenómenos ópticos no lineales que incluyen el efecto Kerr , el efecto Raman , la absorción de dos fotones y las interacciones entre fotones y portadores de carga libres . [10] La presencia de no linealidad es de fundamental importancia, ya que permite que la luz interactúe con la luz, [11] permitiendo así aplicaciones como la conversión de longitud de onda y el enrutamiento de señales totalmente ópticas, además de la transmisión pasiva de luz.
Las guías de ondas de silicio también son de gran interés académico, debido a sus propiedades de guía únicas, pueden usarse para comunicaciones, interconexiones, biosensores [12] [13] y ofrecen la posibilidad de soportar fenómenos ópticos no lineales exóticos como la propagación de solitones . [14] [15] [16]
Aplicaciones
Comunicaciones ópticas
En un enlace óptico típico, los datos se transfieren primero del dominio eléctrico al óptico utilizando un modulador electroóptico o un láser directamente modulado. Un modulador electroóptico puede variar la intensidad y/o la fase de la portadora óptica. En fotónica de silicio, una técnica común para lograr la modulación es variar la densidad de los portadores de carga libres. Las variaciones de las densidades de electrones y huecos cambian la parte real e imaginaria del índice de refracción del silicio como lo describen las ecuaciones empíricas de Soref y Bennett. [17] Los moduladores pueden consistir tanto en diodos PIN con polarización directa , que generalmente generan grandes cambios de fase pero sufren velocidades más bajas, [18] como en uniones PN con polarización inversa . [19] Se ha demostrado un prototipo de interconexión óptica con moduladores de microanillos integrados con detectores de germanio. [20] [21]
Los moduladores no resonantes, como los interferómetros Mach-Zehnder , tienen dimensiones típicas en el rango milimétrico y generalmente se usan en aplicaciones de telecomunicaciones o comunicaciones de datos. Los dispositivos resonantes, como los resonadores de anillo, pueden tener dimensiones de sólo unas pocas decenas de micrómetros y, por lo tanto, ocupan áreas mucho más pequeñas. En 2013, los investigadores demostraron un modulador de agotamiento resonante que se puede fabricar utilizando procesos de fabricación estándar de semiconductores de óxido metálico complementario de silicio sobre aislante (SOI CMOS). [22] También se ha demostrado un dispositivo similar en CMOS masivo en lugar de SOI. [23] [24]
En el lado del receptor, la señal óptica normalmente se convierte nuevamente al dominio eléctrico mediante un fotodetector semiconductor . El semiconductor utilizado para la generación de portadoras suele tener una banda prohibida más pequeña que la energía del fotón, y la opción más común es el germanio puro. [25] [26] La mayoría de los detectores utilizan una unión PN para la extracción de portadores; sin embargo, los detectores basados en uniones metal-semiconductor (con germanio como semiconductor) también se han integrado en guías de ondas de silicio. [27] Más recientemente, se han fabricado fotodiodos de avalancha de silicio-germanio capaces de funcionar a 40 Gbit/s. [28] [29]
Se han comercializado transceptores completos en forma de cables ópticos activos. [30]
Las comunicaciones ópticas se clasifican convenientemente según el alcance o longitud de sus enlaces. La mayoría de las comunicaciones fotónicas de silicio se han limitado hasta ahora a aplicaciones de telecomunicaciones [31]
y de comunicación de datos, [32] [33] donde el alcance es de varios kilómetros o varios metros respectivamente.
Sin embargo, se espera que la fotónica de silicio también desempeñe un papel importante en las comunicaciones informáticas, donde los enlaces ópticos tienen un alcance del orden de centímetros a metros. De hecho, el progreso en la tecnología informática (y la continuación de la Ley de Moore ) depende cada vez más de una transferencia de datos más rápida entre los microchips y dentro de ellos. [34] Las interconexiones ópticas pueden proporcionar un camino a seguir, y la fotónica de silicio puede resultar particularmente útil, una vez integrada en los chips de silicio estándar. [6] [35] [36] En 2006, el vicepresidente senior de Intel y futuro director ejecutivo, Pat Gelsinger, afirmó que "hoy en día, la óptica es una tecnología de nicho. Mañana, será la corriente principal de cada chip que construyamos". [8] En 2010, Intel demostró una conexión de 50 Gbit/s realizada con fotónica de silicio. [37]
El primer microprocesador con entrada/salida óptica (E/S) se demostró en diciembre de 2015 utilizando un enfoque conocido como fotónica CMOS de "cambio cero". [38] Esto se conoce como fibra al procesador. [39]
Esta primera demostración se basó en un nodo SOI de 45 nm, y el enlace bidireccional de chip a chip se operó a una velocidad de 2 × 2,5 Gbit/s. Se calculó que el consumo total de energía del enlace era de 16 pJ/b y estuvo dominado por la contribución del láser fuera del chip.
Algunos investigadores creen que se requiere una fuente láser en el chip . [40] Otros piensan que debería permanecer fuera del chip debido a problemas térmicos (la eficiencia cuántica disminuye con la temperatura y los chips de computadora generalmente están calientes) y debido a problemas de compatibilidad CMOS. Uno de esos dispositivos es el láser de silicio híbrido , en el que el silicio se une a un semiconductor diferente (como el fosfuro de indio ) como medio láser . [41] Otros dispositivos incluyen un láser Raman totalmente de silicio [42] o un láser Brillouin totalmente de silicio [43] en el que el silicio sirve como medio láser.
En 2012, IBM anunció que había logrado componentes ópticos en la escala de 90 nanómetros que pueden fabricarse utilizando técnicas estándar e incorporarse a chips convencionales. [7] [44] En septiembre de 2013, Intel anunció una tecnología para transmitir datos a velocidades de 100 gigabits por segundo a lo largo de un cable de aproximadamente cinco milímetros de diámetro para conectar servidores dentro de centros de datos. Los cables de datos PCI-E convencionales transportan datos a una velocidad de hasta ocho gigabits por segundo, mientras que los cables de red alcanzan los 40 Gbit/s. La última versión del estándar USB alcanza un máximo de diez Gbit/s. La tecnología no reemplaza directamente los cables existentes, ya que requiere una placa de circuito separada para interconvertir señales eléctricas y ópticas. Su velocidad avanzada ofrece el potencial de reducir la cantidad de cables que conectan los blades en un rack e incluso de separar el procesador, el almacenamiento y la memoria en blades separados para permitir una refrigeración más eficiente y una configuración dinámica. [45]
Los fotodetectores de grafeno tienen el potencial de superar a los dispositivos de germanio en varios aspectos importantes, aunque siguen estando aproximadamente un orden de magnitud por detrás de la capacidad de generación actual, a pesar de la rápida mejora. Los dispositivos de grafeno pueden funcionar a frecuencias muy altas y, en principio, podrían alcanzar anchos de banda mayores. El grafeno puede absorber una gama más amplia de longitudes de onda que el germanio. Esa propiedad podría aprovecharse para transmitir más flujos de datos simultáneamente en el mismo haz de luz. A diferencia de los detectores de germanio, los fotodetectores de grafeno no requieren tensión aplicada, lo que podría reducir las necesidades energéticas. Por último, los detectores de grafeno permiten en principio una integración en el chip más sencilla y menos costosa. Sin embargo, el grafeno no absorbe mucho la luz. Emparejar una guía de ondas de silicio con una lámina de grafeno enruta mejor la luz y maximiza la interacción. El primer dispositivo de este tipo se demostró en 2011. No se ha demostrado la fabricación de dichos dispositivos utilizando técnicas de fabricación convencionales. [46]
Enrutadores ópticos y procesadores de señal.
Otra aplicación de la fotónica de silicio es en enrutadores de señales para comunicaciones ópticas . La construcción se puede simplificar enormemente fabricando las piezas ópticas y electrónicas en el mismo chip, en lugar de distribuirlas en varios componentes. [47] Un objetivo más amplio es el procesamiento de señales totalmente óptico, mediante el cual las tareas que convencionalmente se realizan manipulando señales en forma electrónica se realizan directamente en forma óptica. [3] [48] Un ejemplo importante es la conmutación totalmente óptica , mediante la cual el enrutamiento de señales ópticas está controlado directamente por otras señales ópticas. [49] Otro ejemplo es la conversión de longitud de onda totalmente óptica. [50]
En 2013, una nueva empresa llamada "Compass-EOS", con sede en California e Israel , fue la primera en presentar un enrutador comercial de silicio a fotónica. [51]
Telecomunicaciones de largo alcance mediante fotónica de silicio
La microfotónica de silicio puede aumentar potencialmente la capacidad de ancho de banda de Internet al proporcionar dispositivos de potencia ultrabaja a microescala. Además, el consumo de energía de los centros de datos puede reducirse significativamente si esto se logra con éxito. Investigadores de Sandia , [52] Kotura, NTT , Fujitsu y varios institutos académicos han estado intentando probar esta funcionalidad. Un artículo de 2010 informó sobre un prototipo de transmisión de 80 km y 12,5 Gbit/s utilizando dispositivos de silicio de microanillo. [53]
Pantallas de campo luminoso
A partir de 2015, la nueva empresa estadounidense Magic Leap está trabajando en un chip de campo luminoso que utiliza fotónica de silicio con el fin de una pantalla de realidad aumentada . [54]
Inteligencia artificial
La fotónica de silicio se ha utilizado en procesadores de inferencia de inteligencia artificial que son más eficientes energéticamente que los que utilizan transistores convencionales. Esto se puede hacer utilizando interferómetros Mach-Zehnder (MZI), que se pueden combinar con sistemas nanoelectromecánicos para modular la luz que pasa a través de ellos, doblando físicamente el MZI, lo que cambia la fase de la luz. [55] [56] [57]
Propiedades físicas
Guía óptica y adaptación de dispersión.
El silicio es transparente a la luz infrarroja con longitudes de onda superiores a aproximadamente 1,1 micrómetros. [58] El silicio también tiene un índice de refracción muy alto , de aproximadamente 3,5. [58] El estrecho confinamiento óptico proporcionado por este alto índice permite guías de ondas ópticas microscópicas , que pueden tener dimensiones de sección transversal de sólo unos pocos cientos de nanómetros . [10] Se puede lograr la propagación monomodo, [10] eliminando así (como la fibra óptica monomodo ) el problema de la dispersión modal .
Los fuertes efectos dieléctricos de los límites que resultan de este estrecho confinamiento alteran sustancialmente la relación de dispersión óptica . Al seleccionar la geometría de la guía de ondas, es posible adaptar la dispersión para que tenga las propiedades deseadas, lo cual es de crucial importancia para aplicaciones que requieren pulsos ultracortos. [10] En particular, la dispersión de la velocidad del grupo (es decir, la medida en que la velocidad del grupo varía con la longitud de onda) puede controlarse estrechamente. En silicio a granel a 1,55 micrómetros, la dispersión de velocidad de grupo (GVD) es normal porque los pulsos con longitudes de onda más largas viajan con una velocidad de grupo más alta que aquellos con longitudes de onda más cortas. Sin embargo, al seleccionar una geometría de guía de ondas adecuada, es posible revertir esto y lograr una GVD anómala , en la que los pulsos con longitudes de onda más cortas viajan más rápido. [59] [60] [61] La dispersión anómala es significativa, ya que es un requisito previo para la propagación de solitones y la inestabilidad modulacional . [62]
Para que los componentes fotónicos de silicio permanezcan ópticamente independientes del silicio en masa de la oblea sobre la que se fabrican, es necesario tener una capa de material intermedio. Generalmente se trata de sílice , que tiene un índice de refracción mucho más bajo (de aproximadamente 1,44 en la región de longitud de onda de interés [63] ) y, por lo tanto, la luz en la interfaz silicio-sílice (al igual que la luz en la interfaz silicio-aire) sufrirá un proceso interno total. reflexión y permanecen en el silicio. Esta construcción se conoce como silicio sobre aislante. [4] [5] Lleva el nombre de la tecnología de silicio sobre aislante en electrónica, mediante la cual los componentes se construyen sobre una capa de aislante para reducir la capacitancia parásita y así mejorar el rendimiento. [64] La fotónica de silicio también se ha construido con nitruro de silicio como material en las guías de ondas ópticas. [65] [66]
No linealidad de Kerr
El silicio tiene una no linealidad de Kerr de enfoque , en el sentido de que el índice de refracción aumenta con la intensidad óptica. [10] Este efecto no es especialmente fuerte en el silicio a granel, pero se puede mejorar en gran medida utilizando una guía de ondas de silicio para concentrar la luz en un área de sección transversal muy pequeña. [14] Esto permite ver efectos ópticos no lineales a bajas potencias. La no linealidad se puede mejorar aún más utilizando una guía de ondas ranurada , en la que el alto índice de refracción del silicio se utiliza para confinar la luz en una región central llena de un polímero fuertemente no lineal . [67]
La no linealidad de Kerr subyace a una amplia variedad de fenómenos ópticos. [62] Un ejemplo es la mezcla de cuatro ondas , que se ha aplicado en silicio para realizar amplificación paramétrica óptica , [68] conversión paramétrica de longitud de onda, [50] y generación de peine de frecuencia, [69] [70].
La no linealidad de Kerr también puede causar inestabilidad modulacional , en la que refuerza las desviaciones de una forma de onda óptica, lo que lleva a la generación de bandas laterales espectrales y a la eventual ruptura de la forma de onda en un tren de pulsos. [71] Otro ejemplo (como se describe a continuación) es la propagación de solitones.
Absorción de dos fotones
El silicio exhibe absorción de dos fotones (TPA), en la que un par de fotones pueden actuar para excitar un par electrón-hueco . [10] Este proceso está relacionado con el efecto Kerr y, por analogía con el índice de refracción complejo , puede considerarse como la parte imaginaria de una no linealidad compleja de Kerr. [10] En la longitud de onda de telecomunicaciones de 1,55 micrómetros, esta parte imaginaria es aproximadamente el 10% de la parte real. [72]
La influencia del TPA es muy perjudicial, ya que desperdicia luz y genera calor no deseado . [73] Sin embargo, se puede mitigar cambiando a longitudes de onda más largas (en las que la relación TPA a Kerr cae), [74] o usando guías de ondas de ranura (en las que el material interno no lineal tiene una relación TPA a Kerr más baja). . [67] Alternativamente, la energía perdida a través de TPA se puede recuperar parcialmente (como se describe a continuación) extrayéndola de los portadores de carga generados. [75]
Interacciones gratuitas con el operador
Los portadores de carga libres dentro del silicio pueden absorber fotones y cambiar su índice de refracción. [76] Esto es particularmente significativo a intensidades altas y durante períodos prolongados, debido a la concentración de portadores que genera el TPA. La influencia de los transportistas gratuitos es a menudo (pero no siempre) no deseada y se han propuesto varios medios para eliminarla. Uno de esos esquemas consiste en implantar helio en el silicio para mejorar la recombinación de portadores . [77] También se puede utilizar una elección adecuada de geometría para reducir la vida útil del soporte. Las guías de ondas de nervaduras (en las que las guías de ondas consisten en regiones más gruesas en una capa más ancha de silicio) mejoran tanto la recombinación de portadores en la interfaz sílice-silicio como la difusión de portadores desde el núcleo de la guía de ondas. [78]
Un esquema más avanzado para la eliminación de portadoras consiste en integrar la guía de ondas en la región intrínseca de un diodo PIN , que tiene polarización inversa para que las portadoras sean atraídas y alejadas del núcleo de la guía de ondas. [79] Un esquema aún más sofisticado es utilizar el diodo como parte de un circuito en el que el voltaje y la corriente están desfasados, permitiendo así extraer energía de la guía de ondas. [75] La fuente de este poder es la luz perdida por la absorción de dos fotones, por lo que, al recuperar parte de ella, se puede reducir la pérdida neta (y la velocidad a la que se genera calor).
Como se mencionó anteriormente, los efectos de portadores de carga libre también se pueden utilizar de manera constructiva para modular la luz. [18] [19] [80]
El silicio presenta el efecto Raman , en el que se intercambia un fotón por otro con una energía ligeramente diferente, correspondiente a una excitación o una relajación del material. La transición Raman del silicio está dominada por un único pico de frecuencia muy estrecho, lo que resulta problemático para fenómenos de banda ancha como la amplificación Raman , pero es beneficioso para dispositivos de banda estrecha como los láseres Raman . [10] Los primeros estudios sobre amplificación Raman y láseres Raman comenzaron en UCLA, lo que condujo a la demostración de amplificadores Raman de silicio de ganancia neta y láser Raman pulsado de silicio con resonador de fibra (Optics express 2004). En consecuencia, en 2005 se fabricaron láseres Raman totalmente de silicio .
El efecto Brillouin
En el efecto Raman, los fotones se desplazan al rojo o al azul mediante fonones ópticos con una frecuencia de aproximadamente 15 THz. Sin embargo, las guías de ondas de silicio también admiten excitaciones de fonones acústicos . La interacción de estos fonones acústicos con la luz se denomina dispersión de Brillouin . Las frecuencias y las formas modales de estos fonones acústicos dependen de la geometría y el tamaño de las guías de ondas de silicio, lo que permite producir una fuerte dispersión Brillouin en frecuencias que van desde unos pocos MHz hasta decenas de GHz. [86] [87] La dispersión Brillouin estimulada se ha utilizado para fabricar amplificadores ópticos de banda estrecha [88] [89] [90], así como láseres Brillouin totalmente de silicio. [43] La interacción entre fotones y fonones acústicos también se estudia en el campo de la optomecánica de cavidades , aunque las cavidades ópticas 3D no son necesarias para observar la interacción. [91] Por ejemplo, además de en guías de ondas de silicio, el acoplamiento optomecánico también se ha demostrado en fibras [92] y en guías de ondas de calcogenuro. [93]
solitones
La evolución de la luz a través de guías de ondas de silicio se puede aproximar con una ecuación cúbica de Schrödinger no lineal , [10] que se destaca por admitir soluciones de solitones tipo Sech . [94] Estos solitones ópticos (que también se conocen en fibra óptica ) resultan de un equilibrio entre la modulación de fase propia (que hace que el borde anterior del pulso se desplace al rojo y el borde posterior se desplace al azul) y una dispersión anómala de la velocidad del grupo. [62] Estos solitones han sido observados en guías de ondas de silicio por grupos de las universidades de Columbia , [14] Rochester , [15] y Bath . [dieciséis]
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