Forschungsfortschritte und Herausforderungen siliziumbasierter photonischer Chips
Apr 22, 2024
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Photonische Chips auf Siliziumbasis nutzen Photonen als Informationsübertragungsmedium, was die Vorteile hoher Bandbreite, hoher Geschwindigkeit, hoher Integration und Kompatibilität mit dem CMOS-Prozess bietet und in vielen Bereichen Anwendungswert hat. Ein vollständiger photonischer Chip auf Siliziumbasis integriert eine Lichtquelle, einen optischen Wellenleiter, einen Modulator, einen Filter, einen Detektor und andere Geräte, die die Erzeugung, Weiterleitung, Modulation, Verarbeitung und Erkennung von Licht realisieren können, und diese Funktionen bilden zusammen eine ähnliche optische Schleife ein elektronischer integrierter Schaltkreis, um die Übertragung, Steuerung und Verarbeitung von Informationen zu realisieren.
Laut MEMS Consulting stellte das Forschungsteam von Professor Yang Jianyi und dem assoziierten Forscher Wang Yuehai von der Fakultät für Informations- und Elektroniktechnik der Zhejiang-Universität die verschiedenen Materialplattformen von photonischen Chips auf Siliziumbasis vor und überprüfte ihre Forschungsfortschritte und Herausforderungen in den Bereichen von optischer Kommunikation und optischer Verbindung, optischem Computing, Biosensorik, On-Chip-Lidar und optischer Quantentechnologie und schließlich zusammengefasst. Die entsprechenden Forschungsinhalte wurden in der Fachzeitschrift „Semiconductor Optoelectronics“ unter dem Titel „Research Progress and Challenges of Silicon-based Photonic Chips“ veröffentlicht.
Eine Fertigungsplattform für siliziumbasierte photonische Chips
Abbildung 1 zeigt die vom Marktforschungsinstitut Yole prognostizierte Marktwertprognose für siliziumbasierte Optoelektronik in verschiedenen Anwendungsszenarien. Die Marktgröße der gesamten siliziumbasierten Optoelektronikindustrie wird im Jahr 2026 auf 1,1 Milliarden US-Dollar geschätzt. Es gibt verschiedene Fertigungsplattformen für siliziumbasierte photonische Chips, und im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung in vier häufig verwendete Fertigungsplattformen: Silizium auf Isolatoren (SOI), SiN, III.-V-Gruppe (GaAs und InP) und Lithiumniobat-Dünnfilme auf Siliziumsubstraten.
Abbildung 1 MarktValueForecast vonSIlicon-basiertPHotonicsIn DunterschiedlichAAnwendung SSzenarien
SOI-Plattform
SOI besteht nur aus Silizium und Siliziumdioxid und ist die grundlegende Materialplattform für siliziumbasierte photonische Chips. Das transparente Fenster aus Siliziummaterial hat eine Wellenlänge von 1270 bis 1650 nm und ist daher für das Licht im Glasfaser-Kommunikationsband nahezu transparent. Um eine optische Schleife zu bilden, müssen verschiedene passive und aktive Komponenten auf der SOI-Plattform integriert werden.
Passive Komponenten erfordern keine externe elektrische Modulation, wie z. B. Wellenleiter, Mikroringresonatoren (MRRs), Mach-Zehnder-Interferometer (MZIs), Gitter usw., bei denen Wellenleiter die Grundelemente sind. Der Kern und die Hülle des SOI-Rechteckwellenleiters bestehen aus Silizium bzw. Siliziumdioxid, und die Brechungsindizes von Silizium und Silizium bei einer Wellenlänge von 155 0 nm betragen etwa 3,5 bzw. 1,45. Zu den aktiven Komponenten gehören Laser, Modulatoren, Detektoren und mehr. In Bezug auf die Lichtquelle ist Silizium ein indirektes Bandlückenmaterial mit geringer Lichtausbeute und nicht als Lichtquelle geeignet. Daher muss es mit anderen Materialien kombiniert werden, z. B. einer mit seltenen Erden dotierten Lichtquelle oder einer Lichtquelle der Gruppe III.-V. Lichtquellen der Gruppe IV usw. SOI-Modulatoren verwenden im Allgemeinen thermische Modulation oder Trägerdispersionsmodulation. Abbildung 2 zeigt einen Germaniumdetektor vom Sandwich-Typ mit einer Fin-Transistor (FinFET)-ähnlichen Struktur, der 2021 vom IHP in Deutschland auf den Markt gebracht wurde und die Breite des intrinsischen Bereichs von Germanium und die Trägerzeit reduziert, um eine Bandbreite von bis zu 3 dB zu erreichen 265 GHz bei 1550 nm, übertrifft alle bisherigen integrierten Detektoren auf Siliziumbasis, mit einer Empfindlichkeit von 0,3 A/W und einem Betriebsdunkelstrom von 100–200 nA.
Abb.2. Querschnitt eines Germaniumdetektors mit FinFET-Struktur
Darüber hinaus gibt es in Silizium zahlreiche nichtlineare Effekte wie Vierwellenmischung, Kerr-Effekt, Trägerdispersionseffekt usw., die im optischen Frequenzkamm, in der Quantenoptik und anderen Bereichen genutzt werden können. Bei hoher Pumpleistung kommt es jedoch im Silizium zu Zweiphotonenabsorptions- und Freiträgerabsorptionseffekten, die zu zusätzlichen nichtlinearen Verlusten führen.
SündePlattform
SiN wird zur Isolierung einzelner Transistoren im CMOS-Prozess herkömmlicher mikroelektronischer Chips verwendet und wird auch als Gate-Material für eine Art Feldeffekttransistor verwendet, der als ergänzende Plattform für SOI verwendet werden kann. Das große transparente Fenster und die geringen Übertragungsverluste von SiN (<1 dB/m) from the visible band of 400 nm to the near-infrared band of 2350 nm enable MRRs with a figure of merit (Q) of up to one million. The core layer and cladding layer of SiN waveguides are SiN and SiO₂, respectively, and SiN materials also have good nonlinear effects, which are widely used in on-chip nonlinear studies. The recently developed SiN-on-SOI platform combines the advantages of both SiN and SOI platforms, and has application prospects in the fields of nonlinear optics, filters, low-loss waveguides, and integrated optical gyroscopes.
III.-V.FamilyPPlattformen
Materialien der Gruppe III.-V waren die Hauptherstellungsplattformen für frühe optische Kommunikationschips. III.-V. Verbindungen, insbesondere Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) usw., sind von Natur aus Materialien mit direkter Bandlücke, und ihr Valenzbandoberteil und ihr Leitungsbandunterteil befinden sich im k-Raum des Wellenvektors an derselben Position und die Rekombination von Elektronen und Löcher müssen keinen Impuls austauschen, haben eine hohe interne Quanteneffizienz, können effizient Licht emittieren und können als Verstärkungsmaterial für Laserquellen verwendet werden. Heterogene Integration hybrider Laserquellen bestehend aus III.-V. Gruppenmaterialien auf Si-Substraten sind eine der Möglichkeiten, Lichtquellen auf Siliziumsubstraten zu erreichen, aber die heterogene Integration erhöht die Komplexität des Herstellungsprozesses. Abbildung 3 zeigt einen elektrisch gepumpten 1550-nm-Quantentopflaser, der 2019 von Jonathan Klamkins Gruppe an der University of California, Santa Barbara, direkt epitaktisch auf einem Siliziumsubstrat mit einer maximalen Dauerausgangsleistung von 18 mW bei Raumtemperatur gewachsen wurde. Abbildung 4 zeigt einen abstimmbaren Quantenpunktlaser, der im selben Jahr von der Gruppe von John E. Bowers an der University of California in Santa Barbara direkt auf einem Siliziumsubstrat gezüchtet wurde, mit einem Kantenmodenunterdrückungsverhältnis von mehr als 45 dB, einem abstimmbaren Wellenlängenbereich von 16 nm bei Raumtemperatur und einer Ausgangsleistung von mehr als 2,7 mW.
Abb.3 SchemaDDiagramm von aQuantumWell Laser
Abbildung 4 SchemaDDiagramm von aQuantumDotTunfähigLaser
Bewerbungen undCHallen vonSIlicon-basiertPhotonischCHüften
OptischCKommunikation undOPtischIVerbindung
Das Hauptanwendungsszenario siliziumbasierter photonischer Chips ist derzeit noch die optische Kommunikation. Photonische Chips auf Siliziumbasis bieten die Vorteile einer hohen Integration, einer guten Stabilität, eines geringen Stromverbrauchs und einer guten Phasenmodulationscharakteristik, die nicht nur für die Datenübertragung über große Entfernungen geeignet sind, sondern auch sehr gut für die Anforderungen von Kurzstrecken- und Großstrecken geeignet sind. Kapazitätsdatenübertragung innerhalb oder zwischen Chips und sind ideale optische Kommunikations- und optische Verbindungsplattformen. Durch die monolithische Integration mikroelektronischer Schaltkreise können photonische Chips auf Siliziumbasis eine On-Chip-Verbindung mit hoher Geschwindigkeit, hoher Bandbreite, geringem Stromverbrauch und geringer Latenz erreichen und gleichzeitig die Anzahl der Geräte auf dem Chip reduzieren und die Verbindungsdichte erhöhen. und Durchbrechen der Beschränkungen aktueller mikroelektronischer Chips bei der Datenverbindung.
Photoelektrische Transceiver-Chips auf Siliziumbasis wurden umfassend erforscht und angewendet und sind für die Datenkommunikation mit großer Kapazität von großer Bedeutung. In den letzten Jahren wurden viele Fortschritte erzielt. Für die optische Kommunikation sind außerdem große optische Schaltfelder erforderlich. Die Anzahl der Kommunikationsverbindungen in Rechenzentren verdoppelt sich alle 2,5 Jahre, was zu einem dramatischen Anstieg des Bedarfs an Verbindungen führt, der durch optische Co-Packaging-Technologie gedeckt werden kann. Darüber hinaus können Photonen mehrere Dimensionen von Wellenlänge, Polarisation, Modus, Zeit und anderen Ressourcen nutzen. Die mehrdimensionale Multiplexing-Technologie ist in der Glasfaserkommunikation weit verbreitet und wird voraussichtlich mit mehrdimensionalen photonischen integrierten Chips kombiniert, um das Neue zu lösen Kapazitätskrise der optischen Kommunikation. Im Jahr 2020 schlug die Forschungsgruppe von Yikai Su an der Shanghai Jiao Tong University ein mehrdimensionales On-Chip-Multiplex-/Demultiplex-Schema für Wellenlängenmodus-Polarisationssignale unter Verwendung einer Rückkopplerstruktur auf Basis kaskadierter Subwellenlängengitter (SWGs) vor, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Abb.5. SchematischDDiagramm des Kanals 8-MmehrdimensionalMMultiplexingSStruktur
Siliziumbasierte optische Kommunikations- und optische Verbindungschips stehen derzeit vor drei großen Herausforderungen: (1) On-Chip-Lichtquelle auf Siliziumsubstrat. On-Chip-Lichtquellen können die Integration und Energieeffizienz optischer Verbindungsnetzwerke verbessern, und das Lichtquellenproblem ist eine große Herausforderung für die gesamte siliziumbasierte optoelektronische Technologie. Derzeit basiert die relativ ausgereifte Siliziumsubstrat-On-Chip-Lichtquelle auf Materialien der III.-V-Gruppe, und Laser der III.-V-Gruppe werden auf siliziumbasierten photonischen Chips durch Hybridintegration oder heterogene Integration realisiert. (2) Die Modulationsbandbreite ist aufgrund des Trägerdispersionseffekts begrenzt. Der Einsatz neuer Modulationsmechanismen wie Lithiumniobat soll dieses Problem lösen. (3) Groß angelegte Integration und zuverlässige Verpackung. Die Co-Packaging-Technologie kann nun zur Verbesserung der Integrationsfähigkeiten im großen Maßstab eingesetzt werden.
Lichtrechnen
In den letzten Jahren haben sich Technologien wie künstliche Intelligenz, neuronale Netze, Sprachverarbeitung und Bilderkennung rasant weiterentwickelt, und Echtzeit-Datenverarbeitungs- und Analyseszenarien mit großer Kapazität haben zu einem starken Bedarf an Rechenleistung geführt. Die aktuelle Datenverarbeitung basiert auf herkömmlichen mikroelektronischen Chips. Obwohl diese Chipverarbeitungs- und Herstellungstechnologie aufgrund struktureller Mängel ausgereift ist, ist ihre Bandbreite gering, die Geschwindigkeit langsam und der Stromverbrauch hoch. Optische neuronale Netze und Hochleistungsrechnen auf Basis siliziumbasierter photonischer Chips sollen dieses Problem lösen.
Künstliche neuronale Netze können als Datenverarbeitungswerkzeuge für künstliche Intelligenz eingesetzt werden und ihre Berechnungen konzentrieren sich auf eine Vielzahl von Matrixoperationen, während optische neuronale Netze bei diesen Operationen nahezu keine Energie verbrauchen. Optische neuronale Netze umfassen hauptsächlich Feedforward Neural Networks (FNNs), Recurrent Neural Networks (RNNs) und Spiking Neural Networks (SNNs), die mithilfe von MZI oder MRR implementiert werden können.
Obwohl photonische Chips auf Siliziumbasis ein großes Anwendungspotenzial in Computern und neuronalen Netzen haben, sind sie herkömmlichen mikroelektronischen Chips in Bezug auf Rechengeschwindigkeit und Stromverbrauch überlegen, weisen jedoch immer noch Mängel bei der rein optischen Implementierung nichtlinearer Aktivierungsfunktionen neuronaler Netze auf. Integration und Matching-Algorithmen photonischer Chips.
Biosensorik
Biosensor ist ein Gerät, das Informationen über molekulare Strukturen wie Proteine und Nukleinsäuren in Schall, Licht, Elektrizität und andere Signale umwandeln kann und in der Biodiagnose, der Arzneimittelentwicklung, den Biowissenschaften und anderen Forschungsbereichen weit verbreitet ist. Optische Biosensoren auf Siliziumbasis nutzen die Wechselwirkung zwischen Biomolekülen und dem Lichtfeld, um die Phase, Intensität, Wellenlänge und andere Parameter des Lichts zu ändern, und wandeln das optische Signal mithilfe der photoelektrischen Umwandlung in ein elektrisches Signal um, um die Strukturinformationen von zu erhalten Biomoleküle, die die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, einer starken antielektromagnetischen Interferenzfähigkeit, einer bequemen multifunktionalen Integration und einer starken Flexibilität bieten. Gemäß den unterschiedlichen Sensorprinzipien können siliziumbasierte Biosensoren in Biosensoren basierend auf Brechungsindexänderungen, Biosensoren basierend auf Fluoreszenztechnologie und Biosensoren basierend auf Raman-Streuung unterteilt werden. Die auf der Änderung des Brechungsindex basierende Biosensorik nutzt die evaneszente Welle des Wellenleiters, und die Wechselwirkung zwischen der evaneszenten Welle und der zu messenden Lösung ändert den Brechungsindex des Mantels und ändert dann den effektiven Brechungsindex und die Phase der Lichtwelle der Wellenleiter. MZI und MRR werden als Beispiele verwendet, um das Prinzip dieser Biosensorik vorzustellen. MZI ist ein interferometrischer Biosensor. Ein Arm interagiert beim Arbeiten mit der Lösung. Die Phasendifferenz der beiden Arme ändert sich mit der zu messenden Lösung die Interferenz der beiden Arme am Abtriebsende.
Lidar
LiDAR ist eine Technologie, die die Ausrichtung und Geschwindigkeit eines Ziels durch die Emission von Laserstrahlen erkennt und wichtige Anwendungen im autonomen Fahren, in der dreidimensionalen Bildgebung und in anderen Bereichen findet. Herkömmliches Lidar verwendet die Methode der mechanischen Lenkung, die die Nachteile einer komplexen Struktur, eines leichten Verschleißes und einer leichten Beeinträchtigung durch Temperatur und Vibration aufweist. LiDAR auf Siliziumbasis nutzt optische Festkörper-Phased-Arrays (OPA), um diese Probleme zu überwinden. OPA ist ein wichtiger Bestandteil von Lidar auf Siliziumsubstraten, verantwortlich für die Erzeugung und Emission von Detektionssignalen und besteht aus vier Teilen: Laserquelle, Strahlteiler, Phasenschieber und Emitter, die in der Freiraumkommunikation, Detektion und Bildgebung verwendet werden können , Biosensorik und andere Bereiche. Die Metriken von OPA umfassen hauptsächlich Sichtfeld (FOV), Strahlbreite, Nebenkeulenunterdrückung, Modulationsgeschwindigkeit, Stromverbrauch usw., wobei das FOV den Bereich der Strahlformung und -lenkung bestimmt und die Strahlbreite die Größe des OPA-Sende- oder Empfangspunkts misst .
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Abbildung 6 Diagramm von 1D-OPA und 2D-OPA
OptischQuantum
Optische Quantenchips verwenden Wellenleiter zur Führung von Photonen und stellen phasenstabile Quantenschaltkreise mit Kernfunktionen bereit, darunter Quantenzustandserzeugung, -manipulation und Einzelphotonendetektion. Im Vergleich zu herkömmlichen Desktop-Optiken nutzen optische Quantenchips eine passive, verlustarme, mehrdimensionale und einfach zu steuernde Gerätebibliothek einer siliziumbasierten photonischen Plattform, die sich für eine groß angelegte Integration eignet und voraussichtlich auch leistungsfähig ist groß angelegte Quanteninformationsverarbeitung mit Hunderten oder Tausenden von Photonen, die die praktische Anwendung der optischen Quantentechnologie schnell vorantreiben kann. In den letzten Jahren haben sich optische Quantenchips rasant entwickelt, was voraussichtlich die Entwicklung von Quantencomputern, Quantenkommunikation, Quantensensorik, Quantensimulation und Grundlagenforschung vorantreiben wird. Quantenlichtquellen haben wichtige Anwendungen in der Quantenkommunikation, im Quantencomputing und in anderen Bereichen und werden in Einzelphotonenquellen, verschränkte Zustandsquellen und kontinuierlich variable Lichtquellen unterteilt. On-Chip-Einzelphotonenquellen können mithilfe von Siliziumwellenleitern oder spontaner Vierwellenmischung (SFWM) in der MRR implementiert werden. SFWM ist ein nichtlinearer Effekt dritter Ordnung, der zwei Pumpphotonen in ein Paar frequenzverschränkter Signalphotonen und Leerlauffrequenzphotonen umwandelt. Die Photonenpaare können zur Vorhersage einer Einzelphotonenquelle nach der Entflechtung verwendet werden.
Abbildung 7 DieWorkingPPrinzip undSspezifischSStruktur des XanaduOPtischQuantumCRechnenCHüfte
Auch die Entwicklung siliziumbasierter optischer Quantenchips steht vor vielen Problemen und Herausforderungen: (1) der Bedarf an schnellen und verlustarmen optischen Schaltnetzen. Die kurzfristige Verarbeitung einer großen Anzahl von Einzelphotonen erfordert das Multiplexen und Demultiplexen von Einzelphotonenquellen, und kürzlich haben LN-, Si-LN- und Si-Bariumtitanat-Schalter diesbezüglich vielversprechende Anwendungen gezeigt. (2) Ein optischer Quantenchip, der eine Quantenlichtquelle, eine Schleife und einen Detektor vollständig integriert, muss noch realisiert werden, und die Herausforderung liegt in der Entfernung von Pumplicht und der Manipulation von Photonen bei niedrigen Temperaturen. Es wurde über kaskadierte MRRs und MZI mit Unterdrückungsverhältnissen von bis zu 100 dB berichtet, von denen erwartet wird, dass sie die erste Herausforderung bewältigen, die voraussichtlich durch einen bei niedriger Temperatur arbeitenden Si-Bariumtitanat-Schalter gelöst werden soll. (3) Wie kann die Leistung von MBQC weiter verbessert werden und wie können Fehler und Schwankungen bei der Herstellung in großem Maßstab überwunden werden? In Kombination mit der hohen Programmierbarkeit optischer Quantenchips und maschineller Lernalgorithmen soll es Fertigungsmängel ausgleichen. Die Entwicklung optischer Quantenchips steht in engem Zusammenhang mit der siliziumbasierten optoelektronischen Technologie, und die entscheidende Leistung optischer Quantenschaltkreise muss durch neue Materialien, fortschrittliche Integrations- und Verpackungsprozesse vorangetrieben werden. Um den Herausforderungen der integrierten optischen Quanten- und Marktnachfrage gerecht zu werden, sind ein koordinierter Ansatz, Investitionen in die Entwicklung neuer photonischer Integrationsplattformkomponenten und Lieferketten sowie der Aufbau einer hybriden und heterogenen Integrationsinfrastruktur erforderlich.
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