Los dispositivos fotónicos de silicio se pueden fabricar utilizando técnicas de fabricación de semiconductores existentes y, debido a que 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 están integrados en un solo microchip. [6] En consecuencia, la fotónica de silicio está siendo investigada activamente por muchos fabricantes de productos electrónicos, incluidos IBM e Intel , así como por grupos de investigación académica, 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 como dentro de los 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 libre . [10] La presencia de no linealidad es de importancia fundamental, 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, se pueden utilizar 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 modulado directamente. Un modulador electroóptico puede variar la intensidad y/o la fase del portador óptico. En la fotónica de silicio, una técnica común para lograr la modulación es variar la densidad de 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 se describe en las ecuaciones empíricas de Soref y Bennett. [17] Los moduladores pueden consistir tanto en diodos PIN polarizados directamente , que generalmente generan grandes cambios de fase pero sufren velocidades más bajas, [18] así como en uniones p–n polarizadas inversamente . [19] Se ha demostrado un prototipo de interconexión óptica con moduladores de microring integrados con detectores de germanio. [20] [21]
Los moduladores no resonantes, como los interferómetros de Mach-Zehnder , tienen dimensiones típicas en el rango de milímetros y se utilizan generalmente en aplicaciones de telecomunicaciones o comunicación de datos. Los dispositivos resonantes, como los resonadores de anillo, pueden tener dimensiones de solo unas pocas decenas de micrómetros, ocupando por lo tanto 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 complementarios de silicio sobre aislante (SOI CMOS). [22] También se ha demostrado un dispositivo similar en CMOS a granel en lugar de en SOI. [23] [24]
En el lado del receptor, la señal óptica se convierte normalmente de nuevo al dominio eléctrico utilizando un fotodetector semiconductor . El semiconductor utilizado para la generación de portadoras suele tener un intervalo de banda menor que la energía del fotón, y la opción más común es el germanio puro. [25] [26] La mayoría de los detectores utilizan una unión p-n para la extracción de portadoras, 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 por el alcance o longitud de sus enlaces. La mayoría de las comunicaciones fotónicas de silicio hasta ahora se han limitado 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 por ordenador, donde los enlaces ópticos tienen un alcance 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 y dentro de los microchips. [34] Las interconexiones ópticas pueden proporcionar un camino a seguir, y la fotónica de silicio puede resultar especialmente útil, una vez integrada en los chips de silicio estándar. [6] [35] [36] En 2006, el vicepresidente sénior de Intel -y futuro director ejecutivo- Pat Gelsinger afirmó que "hoy, la óptica es una tecnología de nicho. Mañana, será la corriente principal de todos los chips que construimos". [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 estaba 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 con CMOS. Uno de estos dispositivos es el láser de silicio híbrido , en el que el silicio está unido a un semiconductor diferente (como el fosfuro de indio ) como medio láser . [41] Otros dispositivos incluyen el láser Raman completamente de silicio [42] o un láser Brillouin completamente de silicio [43] en el que el silicio sirve como medio láser.
En 2012, IBM anunció que había logrado componentes ópticos a escala de 90 nanómetros que pueden fabricarse utilizando técnicas estándar e incorporarse en 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 las 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 podrían, en principio, alcanzar mayores anchos de banda. 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 voltaje aplicado, lo que podría reducir las necesidades energéticas. Por último, los detectores de grafeno en principio permiten una integración en chip más simple y menos costosa. Sin embargo, el grafeno no absorbe fuertemente la luz. El emparejamiento de 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 tales dispositivos utilizando técnicas de fabricación convencionales. [46]
Enrutadores ópticos y procesadores de señales
Otra aplicación de la fotónica de silicio es en los enrutadores de señales para la comunicación óptica . La construcción se puede simplificar en gran medida fabricando las partes ópticas y electrónicas en el mismo chip, en lugar de tenerlas distribuidas en múltiples componentes. [47] Un objetivo más amplio es el procesamiento de señales completamente ópticas, mediante el cual las tareas que se realizan convencionalmente manipulando señales en forma electrónica se realizan directamente en forma óptica. [3] [48] Un ejemplo importante es la conmutación completamente 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 completamente óptica. [50]
En 2013, una empresa emergente llamada "Compass-EOS", con sede en California y en 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 microescala y de consumo ultrabajo. Además, el consumo de energía de los centros de datos puede reducirse significativamente si esto se logra con éxito. Los 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 microring. [53]
Visualizaciones de campo de luz
A partir de 2015, la empresa emergente estadounidense Magic Leap está trabajando en un chip de campo de luz que utiliza fotónica de silicio para crear 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 de 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
Guiado óptico y adaptación de la 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 solo 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 de contorno dieléctrico que resultan de este confinamiento ajustado alteran sustancialmente la relación de dispersión óptica . Al seleccionar la geometría de la guía de ondas, es posible adaptar la dispersión para tener las propiedades deseadas, lo que es de importancia crucial para aplicaciones que requieren pulsos ultracortos. [10] En particular, la dispersión de velocidad de grupo (es decir, el grado en que la velocidad de grupo varía con la longitud de onda) se puede controlar de cerca. En silicio a granel a 1,55 micrómetros, la dispersión de velocidad de grupo (GVD) es normal en el sentido de que los pulsos con longitudes de onda más largas viajan con mayor velocidad de grupo 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 prerrequisito 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 están fabricados, es necesario tener una capa de material intermedio. Este suele ser 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 experimentará (como la luz en la interfaz silicio-aire) una reflexión interna total y permanecerá en el silicio. Esta construcción se conoce como silicio sobre aislante. [4] [5] Recibe su nombre de la tecnología de silicio sobre aislante en electrónica, por la que 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 enfoque de Kerr , 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 de ranura , en la que se utiliza el alto índice de refracción del silicio 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 lograr la amplificación paramétrica óptica , [68] la conversión de longitud de onda paramétrica, [50] y la generación de peines 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 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 presenta una absorción de dos fotones (TPA), en la que un par de fotones puede 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 de Kerr compleja . [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 altamente disruptiva, ya que desperdicia luz y genera calor no deseado . [73] Sin embargo, se puede mitigar, ya sea cambiando a longitudes de onda más largas (en las que la relación TPA a Kerr disminuye), [74] o utilizando guías de onda de ranura (en las que el material no lineal interno tiene una relación TPA a Kerr más baja). [67] Alternativamente, la energía perdida a través del TPA se puede recuperar parcialmente (como se describe a continuación) extrayéndola de los portadores de carga generados. [75]
Interacciones con el operador de carga gratuita
Los portadores de carga libres dentro del silicio pueden absorber fotones y cambiar su índice de refracción. [76] Esto es particularmente significativo en intensidades altas y por duraciones largas, debido a la concentración de portadores que se acumula por TPA. La influencia de los portadores de carga libres es a menudo (pero no siempre) no deseada, y se han propuesto varios medios para eliminarlos. Uno de estos esquemas es implantar el silicio con helio para mejorar la recombinación de portadores . [77] También se puede utilizar una elección adecuada de geometría para reducir la vida útil del portador. Las guías de onda de nervadura (en las que las guías de onda 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 onda. [78]
Un esquema más avanzado para la eliminación de portadores es integrar la guía de ondas en la región intrínseca de un diodo PIN , que está polarizado inversamente para que los portadores sean atraídos lejos 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, lo que permite extraer energía de la guía de ondas. [75] La fuente de esta energía es la luz perdida por la absorción de dos fotones, y por lo tanto, 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 libres también se pueden utilizar de forma constructiva para modular la luz. [18] [19] [80]
El silicio exhibe el efecto Raman , en el cual un fotón se intercambia por un fotón 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 es 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 de la amplificación Raman y los láseres Raman comenzaron en la UCLA, lo que llevó 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, los láseres Raman totalmente de silicio se han fabricado en 2005. [42]
El efecto Brillouin
En el efecto Raman, los fotones son desplazados al rojo o al azul por fonones ópticos con una frecuencia de aproximadamente 15 THz. Sin embargo, las guías de onda 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 onda de silicio, lo que permite producir una fuerte dispersión de Brillouin a frecuencias que van desde unos pocos MHz hasta decenas de GHz. [86] [87] La dispersión de 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 onda de silicio se puede aproximar con una ecuación cúbica no lineal de Schrödinger , [10] que es notable por admitir soluciones de solitones tipo sech . [94] Estos solitones ópticos (que también se conocen en fibra óptica ) resultan de un equilibrio entre la automodulación de fase (que hace que el borde anterior del pulso se desplace al rojo y el borde posterior se desplace al azul) y la dispersión anómala de la velocidad de grupo. [62] Tales solitones han sido observados en guías de onda de silicio, por grupos de las universidades de Columbia , [14] Rochester , [15] y Bath . [16]
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