Фотонні транзистори в кремнієвому виконанні

Свідіненко Юрій

Більшість електронних пристроїв незабаром можуть стати фотонних, тобто замість електронів, що переносять інформацію будуть "курсувати" промені світла -- фотони.

Більшість експертів в галузі мікроелектроніки передбачають саме такий сценарій розвитку мікроелектроніки, використовуваної в обчислювальній техніці. Ця галузь науки розвивається вже ще з 1970 року. Фотоніка (так називається ця нова область пристроїв, що використовують в якості основного сигналу окремі фотони) може використовуватися в таких галузях, як телекомунікації, маршрутизація Інтернету, оптоволоконні мережі, і, звичайно, у створенні "світлових комп'ютерів".

Чому ж так вигідно використовувати фотоніку замість звичайної електроніки? По-перше, фотонні пристрої будуть споживати менше енергії. По-друге, за допомогою фотонних чіпом можна буде оперувати великими обсягами інформації, і, отже, швидкість обчислень зросте.

Грубо кажучи, у фотонній чіпі промені світла замінять струм електронів по провідникам в аналогічному електронному. Ось чому фотонні чіпи економічніше електронних: фотоніка набагато менше віддає тепла в навколишнє середовище, і, отже, менше споживає енергії для роботи.

На сьогоднішній день існує ряд прототипів нанофотонних пристроїв. Однак існує проблема: фотонні пристрої треба органічно "вписати" в море сучасної електроніки. І для цього необхідно сконструювати пристрій, яке забезпечувало б взаємодію між фотонів і електронними чіпами.

Таке пристрій можна назвати "Фотон транзистором" або "Фотон ключем ". Його функція - пропускати світлові хвилі при наявності відповідного сигналу і не пропускати, якщо сигналу дозволу немає.

В Корнельському університеті, США, дослідникам вдалося наблизитися до вирішення цієї проблеми. Вони змогли створити пристрій, який переводить електричний сигнал у модульований світловий промінь у нанорозмірному діапазоні. При цьому розміри фотонного пристрої дозволяють використовувати його в маршрутизаторах, оптоволоконних мережах та мікропроцесори.

Такі пристрої удавалоь робити і раніше, але вони були розмірами близько декількох міліметрів. Природно, що пов'язувати чіп міліметрових розмірів з Сучасне мікросхемами по 90-нм техпроцесу було б неефективно. А вчені з Корнелла змогли зробити такий же чіп розмірами кілька мікрон. А таке пристрій вже можна інтегрувати з сучасними мікросхемами.

Вдалося це зробити завдяки використанню арсеніду галію. Цей напівпровідник легко можна інтегрувати в напівпровідникові пристрої, і він, в основному, застосовується в сучасній мікроелектроніці.

Рис. 1. Принцип дії фотонного ключа

Про роботі вчені повідомили в травневому випуску журналу Nature. Керував дослідженнями вчений з Корнелльського університету Майкл Ліпсон.

В основу нанофотонного модулятора ліг кільцевої резонатор, який відстає від прямого світлового хвилеводу на 200 нанометрів (див. рис. 1). Світло, що проходить через прямий відрізок хвилеводу, безліч разів огинає кільцевої резонатор. Явище це широко відомо і використовується в фотонних пристроях. Причому від діаметра кільця безпосередньо залежить довжина хвилі світлового пучка на виході з резонатора. Науковці використовували діаметри 10 і 12 мікрон і отримали світло з довжиною хвилі 1555 нм і 1576 нм відповідно. Світло з такою довжиною хвилі лежить в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль.

Тепер розповімо про механізм про модуляції світла електронікою. Кільце-модулятор розташоване на на поверхні з негативно допірованного кремнію, а всередині кільця - область з позитивним допірованіем (див. рис. 1). Тому хвилевід являє собою зону розділу між p і n областями pn діода, утвореного структурою хвилеводів і напівпровідників.

Як тільки на мікросистем подають напругу, електрони і дірки надходять в область хвилеводу, змінюючи його оптичний коефіцієнт заломлення. Відповідно, у хвилеводу змінюється резонансна частота світла, що він може пропускати. Таким чином, напруга "замикає" світло, що проходить через прямий відрізок хвилеводу.

Рис. 2. Мікрофотографія фотонного чіпа

Раніше вчені використовували схожий принцип діода в фотоніці для того, щоб модулювати світло в прямих ділянках хвилеводу. І це вдавалося лише тоді, коли світло проходило порівняно велика відстань по хвилеводу. Відповідно, для роботи пристрою потрібен хвилевід більшої довжини і чіп буде вже макроскопічних розмірів. А вчені з Корнелла змусили тікати світ за колі у резонансному кільці, тим самим подовжити його шлях.

В тестах вчені подавали на пристрій 0.3 вольта і цього вистачало, щоб припинити розповсюдження світла по хвилеводу. Потім дослідники протестували пристрій на частоту включень. Результати виявилися досить оптимістичними: за допомогою кільця-резонатора вчені пропустили через фотонний транзистор 1.5 гігабіта в секунду інформації. Грубо кажучи, вони пропустили серію логічних 0 та 1 (що відповідає бітам інформації). Модуляція світла дозволило пропустити серію 0 і 1 за такий короткий час. А процес передачі одного біта займав кілька десятих пікосекунди.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nanonewsnet.ru/