Hybrydowy laser krzemowy, czyli nowe oblicze technologii komputerowych Krzysztof Bederski Instytut Fizyki, Wydział Matematyki Fizyki i Informatyki, UMCS w Lublinie Instytut Matematyki i Informatyki, Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Chełmie Streszczenie W wyniku współpracy inŝynierów firmy Intel oraz naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (University of California, Santa Barbara) powstał pierwszy na świecie zasilany elektrycznie hybrydowy laser krzemowy, którego działanie zademonstrowano 18 września 2006 roku. Pojęcie hybrydowy naleŝy rozumieć w ten sposób, Ŝe został wyprodukowany układ składający się z dwóch rodzajów materiałów: fosforku indu (InP), który wytwarza wiązkę światła i krzemu, który przewodzi, rejestruje, moduluje i wzmacnia światło. To odkrycie pozwoli produkować tanie chipy o wysokim stopniu integracji w oparciu o fotoniczne technologie krzemowe. Chipy te będą zastosowane wewnątrz i w otoczeniu komputerów PC, w serwerach i przyszłych centrach obliczeniowych. Abstract On September 18, 2006 researches from Intel Corporation and the University of California, Santa Barbara (UCSB) have built the world s first electrically powered Hybrid Silicon Laser (HSL). This new laser is termined hybrid because it combines two materials: silicon and an indium phosphide (InP). The hybrid silicon laser integrates the light-emitting capabilities of InP and light-routing, detecting, modulating and even amplifying capabilities of silicon. This development addresses one of the last hurdles to producing lowcost, highly integrated silicon photonic chips for use inside and around PCs, servers, and future data centers.
Wstęp Zbudowanie hybrydowego lasera krzemowego jest duŝym osiągnięciem technologicznym [1-3]. Układ został wyprodukowany przy zastosowaniu standardowych metod produkcji [4,5]. Dzięki tym metodom koszt wytwarzania laserów krzemowych będzie niski. Elementy optyczne mogą być wytwarzane razem z elementami elektronicznymi na tych samych liniach produkcyjnych za pomocą tej samej skalowalnej i coraz bardziej subtelnej technologii [6]. To jest waŝne, bo nastąpi przyspieszenie wprowadzania technologii fotoniki krzemowej do komputerów kolejnych generacji. Widać więc, Ŝe zostanie całkowicie zmienione oblicze technologii krzemowych [3]. Fotonika jest nową techniką, w której nośnikiem danych w układach przesyłania i przetwarzania informacji są fotony [7]. RóŜni się ona od elektroniki tym, Ŝe do przesyłania danych uŝywa fotonów zamiast elektronów [6]. Hybrydowy laser krzemowy NiŜej przedstawiono etapy tworzenia hybrydowego lasera krzemowego [3,8]. Krzemowe podłoŝe jest podstawą, na której umieszczone są inne części stanowiące laser. Na tym podłoŝu zostaje wytrawiony falowód krzemowy (rys. 1). Si oxcide A waveguide is etched in silicon Rys. 1. PodłoŜe krzemowe z wytrawionym falowodem krzemowym. Z drugiej strony przygotowuje się fosforek indu (InP), który będzie generował wiązkę światła. InP The Indium phosphide is processed to make it a good light emitter Rys. 2. Płytka fosforku indu. Zarówno płytka krzemowa jak i fosforek indu tworzące wafel są wystawione na działanie schłodzonej plazmy tlenowej, która na kaŝdej z dwóch powierzchni zostawia cienką warstwę tlenku tworząc w ten sposób warstwę szklanego kleju. Warstwa tlenku jest niezwykle
cienka, ma grubość 25 atomów i jest na tyle silnym wiązadłem, Ŝe wystarczająco mocno zwiąŝe te dwa materiały. Kiedy krzem oraz fosforek indu zostaną podgrzane i ściśnięte, dwie warstwy tlenku połączą chemicznie te dwa materiały razem (rys. 3) [2,8]. The two materials are bonded together under low heat InP Si Falowód krzemowy Rys. 3. Składniki lasera połączone w pojedynczy chip. Po wytworzeniu pojedynczego chipa fosforek indu został wytrawiony oraz zostały wykonane kontakty elektryczne (rys. 4). The Indium phosphide is etched and electrical contacts are added InP Waveguide Silicon Rys. 4. Przekrój poprzeczny hybrydowego lasera krzemowego. PrzyłoŜenie napięcia do tych kontaktów (rys. 5) powoduje przepływ prądu elektronowego i dziurowego, a w wyniku procesu rekombinacji są wytwarzane fotony. Zdolność do łatwego generowania światła w taki sposób ma właśnie fosforek indu, krzem natomiast jest złym emiterem światła, poniewaŝ po przyłoŝeniu napięcia generuje ciepło zamiast światła. Photons are emitted from the InP when a voltage is applied Electrons and holes Rys. 5. Wytwarzanie fotonów w fosforku indu w wyniku rekombinacji.
Światło wygenerowane w fosforku indu pod wpływem przyłoŝonego do elementów półprzewodnikowych napięcia, przechodzi przez warstwę kleju do falowodu krzemowego znajdującego się poniŝej (rys. 6), dzięki czemu moŝna uzyskać ciągły promień laserowy, który moŝe być dalej wykorzystany przez inne urządzenia laserowe [5] The light is coupled into the silicon waveguide which forms the laser cavity. Laser light emanates from the device. Rys. 6. Emisja światła wytworzonego przez hybrydowy laser krzemowy. Zalety hybrydowego lasera krzemowego Do wygenerowania światła w tym laserze nie jest juŝ potrzebne zewnętrzne źródło światła laserowego, bo wiązka fotonów jest wytwarzana bezpośrednio w samym układzie [1,3,9] po przyłoŝeniu napięcia do elementów półprzewodnikowych. Dzięki zastosowanej technologii moŝna stosunkowo łatwo produkować taki laser, co więcej, pozwala ona na znaczne upakowanie układu. Wg. zapewnień Paniccia z Laboratorium Fotonicznego Intela, w pojedynczym układzie scalonym moŝna umieścić nawet do stu hybrydowych laserów razem z innymi fotonicznymi urządzeniami krzemowymi [2]. Ten fakt przyczynia się do miniaturyzacji hybrydowego układu. W chwili obecnej laser ten ma długość 800 µm., następne generacje będą miały jeszcze krótsze wymiary. KaŜdy z tych laserów moŝe emitować fale o róŝnych długościach przez prostą modyfikacje falowodu krzemowego, bez potrzeby modyfikowania podstawowego materiału, jakim jest fosforek indu. Sposób klejenia krzemu i fosforku indu powoduje, Ŝe koszty wytwarzania takiego lasera są niskie. Laser moŝna łatwo zintegrować z innymi krzemowymi urządzeniami fotonicznymi. Przykład zastosowania hybrydowego lasera Wynalezienie pierwszego hybrydowego lasera krzemowego pozwoli na zbudowanie krzemowych urządzeń fotonicznych o wysokim stopniu integracji. Przykładem moŝe tu być koncepcja zintegrowanego fotonicznego chipa przedstawiona na rys. 7, która będzie zrealizowana w najbliŝszej przyszłości [1-3,9]. Układ składa się z 25 hybrydowych laserów rozmieszczonych bardzo blisko siebie w jednym chipie. KaŜdy z tych laserów wytwarza wiązkę światła o innej długości fali, a następnie wiązki te są kierowane do układu szybkich krzemowych modulatorów optycznych. Modulatory kodują dane cyfrowe na laserowych wiązkach światła o róŝnych długościach fali. Multiplekser optyczny połączy te oddzielne strumienie danych razem i prześle do światłowodu znajdującego się na wyjściu układu. Jeśli 25 hybrydowych laserów krzemowych zostanie połączonych z 25 modulatorami krzemowymi, z których kaŝdy pracuje z szybkością 40 Gb/s, to w wyniku takiego połączenia uzyskamy szybkość transmisji optycznej danych równą 1 Tb/s (w przypadku pojedynczego zintegrowanego krzemowego chipa). Z tym wysoce zintegrowanym krzemowym urządzeniem
Optical Fiber Multiplexer 25 hybrid lasers 25 optical modulators at 40Gb/s Rys. 7. Projekt terabitowego krzemowego nadajnika optycznego o wysokim stopniu integracji. nadawczym moŝna sobie wyobrazić w niedalekiej przyszłości świat, w którym większość urządzeń liczących będzie wyposaŝona w szerokopasmowe połączenie optyczne [1-3]. DuŜym problemem, który został pomyślnie rozwiązany w 2005 roku, a wiązał się z wyprodukowaniem hybrydowego lasera krzemowego, było tłumienie wiązki laserowej w krzemie [10, 11]. Laser Ramanowski o działaniu ciągłym Wraz ze wzrostem natęŝenia wiązki laserowej wprowadzanej do krzemu wzrastał współczynnik tłumienia tej wiązki, zatem jeśli wiązka laserowa przenosiła np. zakodowane dane, to zamiast jej wzmocnienia obserwowano osłabienie. Wiązało się to ze zjawiskiem absorpcji dwufotonowej, która polega na tym, Ŝe jednocześnie są absorbowane dwa fotony (rys. 8) [12] Absorpcja dwufotonowa λ = 1,55 µm λ = 1,55 µm Rys. 8. Proces absorpcji dwufotonowej. Krzem jest przezroczysty dla światła podczerwonego, co oznacza, Ŝe atomy nie absorbują fotonów przechodzących przez krzem, bo ich energia jest za mała do wzbudzenia elektronu. Jednak przy wyŝszych gęstościach mocy lasera szybkość wytwarzania swobodnych elektronów jest większa od szybkości rekombinacji nośników i liczba swobodnych elektronów
w krzemie zaczyna szybko wzrastać, co powoduje tłumienie wiązki laserowej [10]. Sposób na pozbycie się tych elektronów znalazła grupa badacza z firmy Intel [11]. Rozwiązanie polegało na tym, Ŝe w obszarze krzemowego światłowodu wzdłuŝ całej drogi wzmacniania wiązki fotonów zastosowano diodę półprzewodnikową typu p-i-n (p-type intrinsic n-type), a więc złącze: półprzewodnik typu p półprzewodnik samoistny półprzewodnik typu n. Po przyłoŝeniu napięcia o odpowiedniej polaryzacji do diody p-i-n (rys. 9) z obszaru falowodu krzemowego jest usuwany nadmiar elektronów wytworzonych w procesie absorpcji dwufotonowej SiO 2 Rys. 9. Dioda p-i-n umieszczona w falowodzie krzemowym [10]. Krzem został uŝyty do wzmacniania sygnałów i wytwarzania ciągłych wiązek światła, a było to moŝliwe dzięki wykorzystaniu efektu Ramana (rys. 10) [10,12]. λ = 1,55 µm λ = 1,63 µm Rys. 10. Efekt Ramana w krzemie. Z rys. 10 widać, Ŝe foton o określonej energii przenosi elektron ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. W przypadku efektu Ramana nie ma przejścia elektronu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, a następuje przejście do niŝszego stanu wzbudzonego z emisją fotonu o mniejszej energii. Przy przejściu elektronu do stanu podstawowego energia jest oddawana sieci krystalicznej i nie zachodzi juŝ emisja fotonu. Rys. 11. Schemat lasera krzemowego. Na rys. 11 przedstawiono schemat lasera krzemowego (pierwszego na świecie), w którym zastosowano diodę p-i-n i wykorzystano efekt Ramana do uzyskania wzmocnionej i ciągłej
wiązki światła [10]. W laserze są unieszczone dwa półprzepuszczalne lustra tworzące rezonator niezbędny do emisji wiązki laserowej. Energia wiązki pompującej jest wyŝsza od energii wyjściowej wiązki laserowej. Nadmiar energii wynikający z róŝnicy energii obu wiązek jest rozpraszany w krzemie. pump beam Rys. 12. Efekt Ramana wykorzystany do wzmocnienia wiązki światła w krzemowym falowodzie. Efekt Ramana moŝe zostać wykorzystany np. do wzmocnienia wiązki laserowej o małym natęŝeniu z zakodowanymi danymi. W wyniku przekazanie energii z wiązki pompującej wytworzonej przez laser pompujący do wiązki wzmacnianej uzyskamy wzmocnioną wiązkę z danymi (rys. 12). Podsumowanie Wynalezienie hybrydowego lasera krzemowego było ogromnym osiągnięciem, dzięki któremu na jednym chipie umieścić moŝna teraz następujące podzespoły [13]: laser generuje wiązkę światła, modulator koduje dane na wiązce laserowej, multiplekser łączy wszystkie wiązki światła o róŝnych długościach fali i przesyła je do światłowodu, światłowód transmituje strumień danych bardzo duŝą szybkością. Wg. Mayo z firmy AT&T Bell Laboratories w ciągu najblizszych 10 lat fotonika zastąpi elektronikę. Dynamiczny rozwój fotoniki nastąpi w chwili, kiedy powstanie procesor zawierający miliard tranzystorów. Rozwój technologii elektronicznej będzie trudny do realizacji ze względu na powolny przeplyw elektronów przez półprzewodniki i bardzo duŝą emisję ciepła z półprzewodników, do tego dochodzą wysokie koszty produkcji [14]. Komputery PC zbudowane w oparciu o technologię optyczną będą nieporównywalnie szybsze od dzisiejszych komputerów [15]. Firma NEC przy współpracy z Fujitsu i Hitachi opracowała superszybkie połączenie między procesorem i pamięcią komputera. System zostanie zbudowany w oparciu o technologie optyczną, która umoŝliwi przesłanie 1000 sygnałów jednocześnie z prędkością 20 terabitów/s. Z tej nowej technologii będzie korzystał superkomputer, którego wartość szacuje się na ok. miliard dolarów [16]. Transmisja optyczna zostanie wykorzystana w połączeniach wewnątrz układów np. w komputerze, a takŝe do łączenia ze sobą róŝnych innych podzespłów elektronicznych [11,12] Integracja fotoniki z elektroniką w krzemie pozwoli na eliminację duŝej części połączeń i wprowadzanie zewnętrznych linii światłowodowych do precyzyjnie wytrawionych kanalików, które zapewnią wystarczająco dokładne osiowanie [6]. Dodatkowe informacje związane z hybrydowym laserem krzemowym zostały przedstawione w pracach [17-20] oraz w krótkim materiale wideo [21]. Nasz wspólny z Intelem program badawczy pokazuje, jak przemysł i środowiska naukowe mogą i powinny współpracować - powiedział prof. John
Bowers, z UCSB. Bogate doświadczenia naszego uniwersytetu w pracach nad fosforkiem indu oraz ogromna wiedza inŝynierów Intela w temacie fotoniki krzemowej pozwoliły na stworzenie lasera o całkowicie nowej strukturze, który dzięki niskim kosztom wytwarzania moŝe całkowicie zmienić oblicze technologii komputerowych [5]. Literatura 1. Hybrid Silicon Laser, http://www.intel.com/research/platform/sp/hybridlaser.htm 2. Intel, UC Santa Barbara Develop World's First Hybrid Silicon Laser, http://www.intel.com/pressroom/archive/releases/20060918corp.htm 3. M. Paniccia, V. Krutul, R. Jonem, O. Cohen, J. Bowers and A. Fang, Intel, A Hybrid Silicon Laser-Silicon photonics technology for future tera-scale computing, Intel, White Paper, ftp://download.intel.com/research/platform/sp/hl_wp1.pdf 4. Hybrydowy laser krzemowy, http://www.networld.pl/news/99612.html 5. Pierwszy na świecie hybrydowy laser krzemowy, http://news.webwweb.pl/2,7411,0,pierwszy,na,swiecie,hybrydowy,laser,krzemowy.html 6. Więcej światła na krzem, http://www.pcworld.pl/news/64197.html 7. Fotonika, http://www.if.pw.edu.pl/~karpierz/fotonika2.pdf 8. M. Paniccia and J. Bowers, UCSB, Intel, ftp://download.intel.com/research/platform/sp/hl_present.pdf 9. Intel wprowadza światło do chipów, Chip, 1 (2007) 20. 10. S. Koehl, V. Krutul and M. Paniccia, Continuous Silicon Laser, Intel, White Paper, ftp://download.intel.com/technology/silicon/sp/download/silicon-laser_whitepaper.pdf 11. H. Rong, R. Jones, A. Liu, O. Cohen, D. Hak, A. Fang and M. Paniccia, A continuouswave Raman silicon laser, Nature 433 (2005) 725-728. http://www.nature.com/nature/journal/v433/n7027/full/nature03346.html 12. M. Bieńkowski, Krzemowy laser Ramanowski o działaniu ciągłym, Chip, 06 (2005) 14-15 http://www.chip.pl/arts/archiwum/n/articlear_133177.html 13. M. Paniccia, V. Krutul and S. Koehl, Intel s Research in Silicon Photonics Could Bring High-Speed Optical Communication to Silicon, Intel, White Paper, ftp://download.intel.com/technology/silicon/sp/download/sipwp2.pdf 14. Fotonika, http://www.computerworld.pl/artykuly/39161.html 15. Nowa era Nowa era Pecetów? Połączenia optyczne? http://www.purepc.pl/node/551 16. Superszybkie połączenie między procesorem a pamięcią, http://www.purepc.pl/node/550 17. Hybrid Silicon Laser-Interesting Facts, ftp://download.intel.com/research/platform/sp/hl_factsheet.pdf 18. S. Koehl, Silicon Photonics Could Revolutionize Future Servers and Networks http://www.convergedigest.com/blueprints/ttp03/bp1.asp?id=242&ctgy=market 19. A. W. Fang, H. Park, O. Cohen, R. Jones, M. J. Paniccia and J. E. Bowers, Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser, Optics Express, 14, 20 (2006) 9203-9210. http://www.ece.ucsb.edu/uoeg/publications/papers/fang_06_opex.pdf 20. Światło na krzemie, http://kopalniawiedzy.pl/wiadomosc_710.html 21. Building the hybrid silicon laser (video), http://download.intel.com/research/platform/videos/sp/hl_buildlaser_300.wmv