3. Обзор компонентов интегральной фотоники

После того, как рассмотрены основные вехи становления интегральной фотоники с точек зрения разных областей знания, установлен ряд образующих предпосылок, лежащих в основании зарождающегося нового направления и определены качественные основы для реализации фотонных интегральных схем, рассмотрим основные устройства и компоненты фотонной интегральной схемы, разработанные на настоящий момент.

Среди всех компонентов фотонной интегральной схемы важную роль играет планарный волновод как самостоятельный элемент фотонной интегральной схемы, так как при уменьшении характерных размеров структур роль играет не только непосредственное наличие фотонного провода – волновода для соединения структур, но и его взаимное расположение на фотонной интегральной схеме относительно других компонентов (рис. 8).

Рисунок 8. Взаимное расположение волноводов

Важнейшую роль играет также источник излучения – лазер. В настоящее время, как упоминалось выше, существуют лазеры на гетероструктурах, что осложняет их сопряжение с кремниевыми интегральными схемами. Однако, в настоящее время, с одной стороны развиваются технологии по созданию гибридных интегральных схем, в которых на общем кремниевом основании с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии выращивают участки гетероструктур, на которых формируются необходимые элементы, а с другой стороны, ведутся работы по созданию рамановского кремниевого лазера, представляющего собой волноводную петлю с разветвителями (рис. 9) [33].

Наряду с лазерами важно иметь в фотонной интегральной схеме фотоприёмники – поглотители оптического излучения. В настоящий момент в этом направлении заметные результаты достигнуты европейским проектом HELIOS, который предполагает создание германиевого фотодетектора на кремнии с характерным размером 3 мкм [34].

Рисунок 9. Схема кольцевого рамановского лазера и его поперечное сечение

Следующим компонентом фотонной интегральной схемы является модулятор излучения. В настоящий момент известно много различных схем модуляторов, в том числе интерферометр Маха-Цендера, электрорефрактивный, электроабсорбционный, модулятор с кольцевым резонатором [35]. Каждый из них обладает рядом преимуществ и недостатков, однако необходима их более широкая апробация и испытания для выявления наиболее оптимального решения.

Помимо перечисленных фотонных интегральных компонентов в настоящее время различными коллективами ведётся разработка фотонных АЦП (ФАЦП), фотонных датчиков механических напряжений, фотонных датчиков давления, фотонных элементов энергонезависимой памяти. К настоящему времени все эти достижения постепенно воплощаются и в реальных действующих образцах. Так, в июне 2010 года Intel Photonics Technology Lab продемонстрировало интегральную оптическую схему, которая содержала пять гибридных лазеров, модуляторы, мультиплексоры – демультиплексоры и фотоприемники; схема обеспечивала скорость передачи данных до 40 Гбит/с [36].

ВЫВОД

В данной работе был всесторонне рассмотрен процесс перехода от приборов электроники к фотонным интегральным схемам и устройствам на их основе и становление новой области знания – интегральной фотоники. Важно, что указанные процессы происходят фактически на наших глазах, а их последствия имеют большие перспективы в будущем.

Именно поэтому в рассмотрении были затронуты несколько ключевых направлений современной науки и инженерии, определивших развитие общества и науки в последние 40 лет, такие как электроника (с момента появления первых электрических телеграфов), лазерная техника (с момента первых теорий о вынужденных переходах) и техника оптических волноводов и волокон. Отмечается, что эти направления внесли примерно одинаковый вклад в синтез и рождение новой науки.

Далее рассматриваются физические структуры микро- и наноэлектроники, на основе которых создаются фотонные интегральные схемы: гетероструктуры и структуры КНИ. Показываются их основные преимущества и недостатки. В качестве вывода формируется перспективная концепция построения фотонных интегральных схем на основе структур КНИ с постепенным уменьшением доли электронных компонентов в пользу фотонных.

Приведённое рассмотрение завершается кратким обзором фотонных интегральных компонентов, разрабатываемых или уже разработанных на сегодняшний день с приведением реально достигнутого уровня лабораторией фотоники фирмы Intel.

Таким образом, на основании приведённых предпосылок можно заключить, что в настоящее время человеческое общество переживает новую технологическую революцию, в результате которой выполнение закона Мура, а также обеспечение взаимодействия людей с большими потоками информации станет осуществляться посредством нового класса устройств – фотонных интегральных схем.