19.5 Фотонные транзисторы в кремниевом исполнении

Большинство электронных устройств в скором времени могут стать фо­тонными, т.е. вместо электронов, переносящих информацию, будут «кур­сировать» лучи света — фотоны.

Многие эксперты в области микроэлектроники предвидят именно такой сценарий развития микроэлектроники, используемой в вычисли­тельной технике. Эта область науки развивается уже с 1970 г. Фотоника (так называется эта новая область устройств, где в качестве основного сигнала используются отдельные фотоны) может применяться в таких областях, как телекоммуникации, маршрутизация Интернета, оптово­локонные сети, и, конечно, в создании «световых компьютеров».

Почему же так выгодно использовать фотонику вместо обычной элек­троники? Во-первых, фотонные устройства будут потреблять меньше энергии. Во-вторых, с помощью фотонных чипов можно будет опери­ровать большими объемами информации и, следовательно, скорость вычислений возрастет.

Грубо говоря, в фотонном чипе лучи света заменят ток электронов по проводникам в аналогичном электронном чипе. Вот почему фотонные чипы экономичнее электронных: фотоника гораздо меньше отдает теплоты в окружающую среду и, следовательно, меньше потребляет энер­гии для работы.

На сегодняшний день имеется ряд прототипов нанофотонных устройств. Однако есть проблема: фотонные устройства надо органично «вписать» в море современной электроники. И для этого необходимо сконструировать устройство, которое обеспечивало бы взаимодействие между фотонными и электронными чипами. Такое устройство можно назвать «фотонным тран­зистором», или «фотонным ключом» (рис. 19.5). Его функция - пропускать световые волны при наличии соответствующего сигнала и не пропускать, если сигнала разрешения нет.

Рис. 2.5. Микрофотография фотонного чипа

В Корнеллском университете (США) исследователям удалось при­близиться к решению этой проблемы. Они смогли создать устройство, которое переводит электрический сигнал в модулируемый световой луч в наноразмерном диапазоне. При этом размеры фотонного устройства позволяют использовать его в маршрутизаторах, оптоволоконных сетях и микропроцессорах.

Такие устройства удавалось делать и ранее, но их размеры составля­ли несколько миллиметров. Естественно, что связывать чип миллимет­ровых размеров с современными микросхемами по 90-нанометровому техпроцессу было бы неэффективно. Ученые из Корнелла смогли сде­лать такой же чип размерами несколько микрометров. Такое устрой­ство уже можно интефировать в современные микросхемы.

Удалось это сделать благодаря использованию арсенида галлия. Этот полупроводник легко можно интефировать в полупроводниковые устрой­ства, и он в основном применяется в современной микроэлектронике.

В основу нанофотонного модулятора лег кольцевой резонатор, ко­торый отстоит от прямого светового волновода на 200 нм (рис. 19.6). Свет, проходящий через прямой отрезок волновода, множество раз огибает кольцевой резонатор. Явление это широко известно и используется в фотонных устройствах. Причем от диаметра кольца напрямую зависит длина волны светового пучка на выходе из резонатора. Ученые исполь­зовали диаметры 10 и 12 мкм и получили свет с длиной волны 1555 и 1576 нм соответственно. Свет с такой длиной волны лежит в инфра­красном диапазоне длин волн.

Теперь расскажем о механизме модуляции света электроникой. Коль­цо-модулятор расположено на поверхности из отрицательно допиро-ванного кремния, а внутри кольца — область с положительным допиро­ванием (рис. 19.6). Поэтому волновод представляет собой зону раздела между р- и я-областями />-я-диода, образованного структурой волново­дов и полупроводников.

Как только на микросистему подают напряжение, электроны и дырки поступают в область волновода, изменяя его оптический коэффициент преломления. Соответственно у волновода изменяется резонансная час­тота света, которую он может пропускать. Таким образом, напряжение «запирает» свет, проходящий через прямой отрезок волновода.

Ранее ученые использовали похожий принцип диода в фотонике для того, чтобы модулировать свет в прямых участках волновода. И это уда­валось только тогда, когда свет проходил сравнительно большое рассто­яние по волноводу. Соответственно, для работы устройства нужен вол новод большей длины, и тогда чип будет уже макроскопических разме­ров. А ученые из Корнелла заставили бежать свет по кругу в резонанс­ном кольце, тем самым удлинив его путь.

В тестах ученые подавали на устройство 0,3 В и этого хватало, чтобы прекратить распространение света по волноводу. Затем исследователи протестировали устройство на частоту включений. Результаты оказа­лись довольно оптимистичными: с помощью кольца-резонатора ученые пропустили через фотонный транзистор 1,5 Гбит в секунду. Модулиро­вание света позволило пропустить серию 0 и 1 за столь короткое время. А процесс передачи одного бита занимал несколько десятых пикосекунды.

Рис. 2.6. Принцип действия фотонного ключа