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fotónica de silicio

La fotónica de silicio es el estudio y la aplicación de sistemas fotónicos que utilizan silicio como medio óptico . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] El silicio se suele modelar con...

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La fotónica de silicio es el estudio y la aplicación de sistemas fotónicos que utilizan silicio como medio óptico . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] El silicio se suele modelar con precisión submicrométrica en componentes microfotónicos . [ 4 ] Estos operan en el infrarrojo , más comúnmente en la longitud de onda de 1,55 micrómetros utilizada por la mayoría de los sistemas de telecomunicaciones de fibra óptica . [ 6 ] El silicio normalmente se encuentra sobre una capa de sílice en lo que (por analogía con una construcción similar en microelectrónica ) se conoce como silicio sobre aislante ( SOI ). [ 4 ] [ 5 ]

Oblea de fotónica de silicio de 300  mm

Los dispositivos fotónicos de silicio se pueden fabricar utilizando técnicas de fabricación de semiconductores existentes , y dado 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 se integran en un único microchip. [ 6 ] En consecuencia, la fotónica de silicio está siendo investigada activamente por muchos fabricantes de electrónica, incluidos IBM e Intel , así como por grupos de investigación académica, como un medio para seguir el ritmo de la Ley de Moore , mediante el uso de interconexiones ópticas para proporcionar una transferencia de datos más rápida tanto entre microchips como dentro de ellos . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

La propagación de la luz a través de dispositivos de silicio está regida por una serie de fenómenos ópticos no lineales, entre los que se incluyen el efecto Kerr , el efecto Raman , la absorción de dos fotones y las interacciones entre fotones y portadores de carga libres . [ 10 ] La presencia de no linealidad es de fundamental importancia, ya que permite que la luz interactúe con la luz, [ 11 ] lo que posibilita aplicaciones como la conversión de longitud de onda y el enrutamiento de señales totalmente óptico, además de la transmisión pasiva de la luz.

Las guías de onda de silicio también son de gran interés académico, debido a sus propiedades de guía únicas, pueden usarse 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 mediante un modulador electroóptico o un láser modulado directamente. Un modulador electroóptico puede variar la intensidad y/o la fase de la portadora óptica. En 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 en directa , que generalmente generan grandes desplazamientos de fase pero sufren de velocidades más bajas, [ 18 ] como en uniones p-n polarizadas en inversa . [ 19 ] Se ha demostrado un prototipo de interconexión óptica con moduladores de microranura integrados con detectores de germanio. [ 20 ] [ 21 ] Los moduladores no resonantes, como los interferómetros de Mach-Zehnder , tienen dimensiones típicas en el rango de los milímetros y se utilizan habitualmente en aplicaciones de telecomunicaciones o de transmisión de datos. Los dispositivos resonantes, como los resonadores de anillo, pueden tener dimensiones de tan solo decenas de micrómetros, ocupando así áreas mucho más pequeñas. En 2013, los investigadores demostraron un modulador de agotamiento resonante que puede fabricarse utilizando procesos de fabricación estándar de semiconductores de óxido metálico complementarios sobre aislante (SOI CMOS). [ 22 ] También se ha demostrado un dispositivo similar en CMOS masivo en lugar de en SOI. [ 23 ] [ 24 ]

En el lado del receptor, la señal óptica se convierte típicamente de nuevo al dominio eléctrico mediante un fotodetector semiconductor . El semiconductor utilizado para la generación de portadores generalmente tiene una banda prohibida 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 portadores; sin embargo, también se han integrado detectores basados ​​en uniones metal-semiconductor (con germanio como semiconductor) en guías de onda de silicio. [ 27 ] Más recientemente, se han fabricado fotodiodos de avalancha de silicio-germanio capaces de operar a 40 Gbit/s. [ 28 ] [ 29 ] Se han comercializado transceptores completos en forma de cables ópticos activos. [ 30 ] 

Las comunicaciones ópticas se clasifican convenientemente según el alcance o la longitud de sus enlaces. La mayoría de las comunicaciones fotónicas de silicio se han limitado hasta ahora a aplicaciones de telecomunicaciones [ 31 ] y de transmisión 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 informáticas, donde los enlaces ópticos tienen un alcance del rango 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 ofrecer una solución, y la fotónica de silicio puede resultar particularmente 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, declaró que: «Hoy, la óptica es una tecnología de nicho. Mañana, será la tecnología principal de cada chip que construyamos». [ 8 ] En 2010, Intel demostró una  conexión de 50 Gbit/s realizada con fotónica de silicio. [ 37 ]

El primer microprocesador con entrada/salida (E/S) óptica se demostró en diciembre de 2015 utilizando un enfoque conocido como fotónica CMOS de "cambio cero". [ 38 ] Esto se conoce como fibra hasta el procesador. [ 39 ] Esta primera demostración se basó en un  nodo SOI de 45 nm, y el enlace bidireccional de chip a chip operó a una velocidad de 2 × 2,5  Gbit/s. El consumo total de energía del enlace se calculó en 16  pJ/b y estuvo dominado por la contribución del láser externo.

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 se calientan) y debido a problemas de compatibilidad con CMOS. Un dispositivo de este tipo 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 totalmente de silicio [ 42 ] o un láser Brillouin totalmente de silicio [ 43 ] donde el silicio sirve como medio láser.

En 2012, IBM anunció que había logrado componentes ópticos a escala de 90 nanómetros que se pueden fabricar utilizando técnicas estándar e incorporar en chips convencionales. [ 7 ] [ 44 ] En septiembre de 2013, Intel anunció una tecnología para transmitir datos a velocidades de 100 gigabits por segundo a través 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 hasta ocho gigabits por segundo, mientras que los cables de red alcanzan los 40  Gbit/s. La última versión del estándar USB tiene un máximo de diez Gbit/s. La tecnología no reemplaza directamente los cables existentes, ya que requiere una placa de circuito separada para interconvertir señales eléctricas y ópticas. Su velocidad avanzada ofrece el potencial de reducir la cantidad de cables que conectan las blades en un rack e incluso de separar el procesador, el almacenamiento y la memoria en blades separadas 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 todavía se encuentran aproximadamente un orden de magnitud por debajo de la capacidad de la generación actual, a pesar de la rápida mejora. Los dispositivos de grafeno pueden funcionar a frecuencias muy altas y, en principio, podrían alcanzar mayores anchos de banda. El grafeno puede absorber un rango de longitudes de onda más amplio que el germanio. Esta 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. Finalmente, los detectores de grafeno permiten, en principio, una integración en chip más sencilla y económica. Sin embargo, el grafeno no absorbe la luz con fuerza. Combinar una guía de ondas de silicio con una lámina de grafeno permite una mejor conducción de la luz y maximiza la interacción. El primer dispositivo de este tipo se demostró en 2011. Aún no se ha demostrado la fabricación de dichos dispositivos utilizando técnicas de fabricación convencionales. [ 46 ]

Enrutadores ópticos y procesadores de señales

Otra aplicación de la fotónica de silicio se encuentra en los enrutadores de señales para la comunicación óptica . La construcción se puede simplificar enormemente al fabricar las partes ópticas y electrónicas en el mismo chip, en lugar de tenerlas dispersas en múltiples componentes. [ 47 ] Un objetivo más amplio es el procesamiento de señales totalmente óptico, donde las tareas que convencionalmente se realizan manipulando señales en forma electrónica se realizan directamente en forma óptica. [ 3 ] [ 48 ] Un ejemplo importante es la conmutación totalmente óptica , donde el enrutamiento de señales ópticas se controla directamente mediante otras señales ópticas. [ 49 ] Otro ejemplo es la conversión de longitud de onda totalmente óptica. [ 50 ]

En 2013, una empresa emergente llamada "Compass-EOS", con sede en California e 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 ultrabajo consumo. Además, el consumo de energía de los centros de datos podría reducirse significativamente si esto se logra con éxito. Investigadores de Sandia , [ 52 ] Kotura, NTT , Fujitsu y varios institutos académicos han estado intentando demostrar 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 ]

Pantallas de campo de luz

En 2015, la empresa emergente estadounidense Magic Leap estaba trabajando en un chip de campo de luz que utilizaba fotónica de silicio para 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 lograr mediante interferómetros de Mach-Zehnder (MZI), que se pueden combinar con sistemas nanoelectromecánicos para modular la luz que los atraviesa, doblando físicamente el MZI y cambiando así la fase de la luz. [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]

Propiedades físicas

Guía óptica y adaptación de la dispersión

El silicio es transparente a la luz infrarroja con longitudes de onda superiores a unos 1,1 micrómetros. [ 58 ] El silicio también tiene un índice de refracción muy alto , de aproximadamente 3,5. [ 58 ] El fuerte confinamiento óptico proporcionado por este alto índice permite la creación de guías de onda ópticas microscópicas , que pueden tener dimensiones de sección transversal de tan solo unos cientos de nanómetros . [ 10 ] Se puede lograr la propagación monomodo, [ 10 ] eliminando así (al igual que la fibra óptica monomodo ) el problema de la dispersión modal .

Los fuertes efectos de límite dieléctrico que resultan de este confinamiento estricto alteran sustancialmente la relación de dispersión óptica . Al seleccionar la geometría de la guía de ondas, es posible adaptar la dispersión para obtener las propiedades deseadas, lo cual es de crucial importancia para aplicaciones que requieren pulsos ultracortos. [ 10 ] En particular, la dispersión de velocidad de grupo (es decir, la medida en que la velocidad de grupo varía con la longitud de onda) se puede controlar con precisión. En silicio masivo a 1,55 micrómetros, la dispersión de velocidad de grupo (GVD) es normal , ya 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 invertir 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 requisito previo para la propagación de solitones y la inestabilidad modulacional . [ 62 ]

Para que los componentes fotónicos de silicio permanezcan ópticamente independientes del silicio masivo de la oblea sobre la que se fabrican, es necesario tener una capa de material intermedio. Este suele ser sílice , que tiene un índice de refracción mucho menor (de aproximadamente 1,44 en la región de longitud de onda de interés [ 63 ] ), por lo que la luz en la interfaz silicio-sílice (al igual que la luz en la interfaz silicio-aire) experimentará reflexión interna total y permanecerá en el silicio. Esta estructura se conoce como silicio sobre aislante. [ 4 ] [ 5 ] Recibe su nombre de la tecnología de silicio sobre aislante en electrónica, en la que los componentes se construyen sobre una capa de aislante para reducir la capacitancia parásita y así mejorar el rendimiento. [ 64 ] También se han construido sistemas fotónicos de silicio con nitruro de silicio como material en las guías de onda ópticas. [ 65 ] [ 66 ]

no linealidad de Kerr

El silicio presenta una no linealidad de Kerr focalizada , en la que el índice de refracción aumenta con la intensidad óptica. [ 10 ] Este efecto no es especialmente fuerte en el silicio masivo, pero puede potenciarse enormemente mediante el uso de una guía de ondas de silicio para concentrar la luz en un área transversal muy pequeña. [ 14 ] Esto permite observar efectos ópticos no lineales a bajas potencias. La no linealidad puede potenciarse aún más mediante el uso de una guía de ondas ranurada , en la que el alto índice de refracción del silicio se utiliza para confinar la luz en una región central rellena con 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 realizar amplificación paramétrica óptica , [ 68 ] conversión de longitud de onda paramétrica, [ 50 ] y 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 absorción de dos fotones (TPA), en la que un par de fotones puede 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 ] A la longitud de onda de telecomunicaciones de 1,55 micrómetros, esta parte imaginaria es aproximadamente el 10 % de la parte real. [ 72 ]

La influencia de la absorción de dos fotones (TPA) es altamente perjudicial, ya que desperdicia luz y genera calor no deseado . [ 73 ] Sin embargo, puede mitigarse cambiando a longitudes de onda más largas (en las que la relación TPA/Kerr disminuye), [ 74 ] o utilizando guías de onda ranuradas (en las que el material no lineal interno tiene una menor relación TPA/Kerr). [ 67 ] Alternativamente, la energía perdida a través de la TPA puede recuperarse parcialmente (como se describe más adelante) extrayéndola de los portadores de carga generados. [ 75 ]

Interacciones de portadores de carga libre

Los portadores de carga libres dentro del silicio pueden absorber fotones y cambiar su índice de refracción. [ 76 ] Esto es particularmente significativo a altas intensidades y durante largos períodos, debido a la concentración de portadores que se acumula por la absorción de dos fotones (TPA). La influencia de los portadores de carga libres suele ser (pero no siempre) indeseable, y se han propuesto varios métodos para eliminarlos. Un esquema de estos métodos es implantar el silicio con helio para mejorar la recombinación de portadores . [ 77 ] Una elección adecuada de la geometría también puede utilizarse para reducir la vida útil de los portadores. 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 consiste en 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 consiste en utilizar el diodo como parte de un circuito en el que el voltaje y la corriente están desfasados, lo que permite extraer potencia de la guía de ondas. [ 75 ] La fuente de esta potencia es la luz perdida por absorción de dos fotones, por lo que al recuperar parte de ella, se puede reducir la pérdida neta (y la tasa a la que se genera calor).

Como se mencionó anteriormente, los efectos de los portadores de carga libres también pueden utilizarse de forma constructiva para modular la luz. [ 18 ] [ 19 ] [ 80 ]

No linealidad de segundo orden

Las no linealidades de segundo orden no pueden existir en el silicio masivo debido a la centrosimetría de su estructura cristalina. Sin embargo, al aplicar tensión, se puede romper la simetría de inversión del silicio. Esto se puede obtener, por ejemplo, depositando una capa de nitruro de silicio sobre una película delgada de silicio. [ 81 ] Los fenómenos no lineales de segundo orden se pueden aprovechar para la modulación óptica , la conversión descendente paramétrica espontánea , la amplificación paramétrica , el procesamiento ultrarrápido de señales ópticas y la generación de infrarrojo medio . Sin embargo, la conversión no lineal eficiente requiere la coincidencia de fase entre las ondas ópticas involucradas. Las guías de onda no lineales de segundo orden basadas en silicio con tensión pueden lograr la coincidencia de fase mediante la ingeniería de dispersión . [ 82 ] Hasta ahora, sin embargo, las demostraciones experimentales se basan solo en diseños que no tienen coincidencia de fase . [ 83 ] Se ha demostrado que la coincidencia de fase también se puede obtener en guías de onda de silicio de doble ranura recubiertas con un revestimiento orgánico altamente no lineal [ 84 ] y en guías de onda de silicio con tensión periódica. [ 85 ]

El efecto Raman

El silicio exhibe el efecto Raman , en el cual un fotón se intercambia por otro con una energía ligeramente diferente, correspondiente a una excitación o relajación del material. La transición Raman del silicio está dominada por un único pico de frecuencia muy estrecho, lo cual es problemático para fenómenos de banda ancha como la amplificación Raman , pero beneficioso para dispositivos de banda estrecha como los láseres Raman . [ 10 ] Los primeros estudios sobre amplificación Raman y láseres Raman comenzaron en la UCLA, lo que llevó a la demostración de amplificadores Raman de silicio de ganancia neta y láseres Raman pulsados ​​de silicio con resonador de fibra (Optics Express 2004). En consecuencia, en 2005 se fabricaron láseres Raman totalmente de silicio. [ 42 ]

El efecto Brillouin

En el efecto Raman, los fotones se desplazan hacia el rojo o el 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 llama 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 en frecuencias que van desde unos pocos MHz hasta decenas de GHz. [ 86 ] [ 87 ] La dispersión de Brillouin estimulada se ha utilizado para hacer amplificadores ópticos de banda estrecha [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] así como láseres de 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 onda de silicio, el acoplamiento optomecánico también se ha demostrado en fibras [ 92 ] y en guías de onda de calcogenuro. [ 93 ]

Solitones

La evolución de la luz a través de guías de onda de silicio se puede aproximar con una ecuación de Schrödinger cúbica no lineal , [ 10 ] que se destaca 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 causa un desplazamiento al rojo del borde de ataque del pulso y un desplazamiento al azul del borde de salida) y la dispersión anómala de la velocidad de grupo. [ 62 ] Dichos solitones han sido observados en guías de onda de silicio por grupos de las universidades de Columbia , [ 14 ] Rochester , [ 15 ] y Bath . [ 16 ]

Véase también

Referencias

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