IDF Spring 2004, день 0. Предисловие и оптические связи (кремниевая фотоника)
АрхивПлатформаIntel демонстрирует прорыв в создании интегрированных оптических кремниевых кристаллов.
В отличие от непролазно заснеженной Москвы,
зимующих Лондона, Парижа, Берлина, Нью-Йорка и Чикаго, середина февраля в калифорнийском Сан-Франциско насыщена контрастами. Одновременно здесь можно встретить и бегущих трусцой по цветущим паркам в трусах и футболках людей (нередко — промокших от частого в это время года дождя),
и кутающихся в теплые одежды и прогуливающихся подобно чайкам
по кромке бушующего Тихого океана «энтузиастов»,
и одиноких «принцесс» в воздушных платьях, восседающих под цветущей сакурой на берегу «высокогорного» озера (все фото — автора этого репортажа, при перепечатке прямая ссылка обязательна),
и очереди из счастливых однополых молодоженов,
обвенчанных по случаю всеамериканского Дня Президента в городском муниципалитете (Сити-холле) Фриско по самовольному решению мэра этого города (позже правительство США объявило эти браки не имеющими силы).
На этом многоликом и дождливом в общем-то фоне в конференц-центре Moscone West города Сан-Франциско (на фото ниже)
с 17 по 19 февраля 2004 проходит очередной Intel Developer Forum, возвратившийся сюда после нескольких лет пребывания в соседнем Сан-Хосе.
Сегодня, 16 февраля, в Moscone-центре было пустынно — для 4800 предполагаемых участников со всего мира Форум откроется лишь завтра.
Однако для многочисленной журналистской братии и «аналистов» (это — буквальная транскрипция английского понятия analyst, не очень благозвучная по-русски) IDF уже начал свою работу. Начиная с прошлой осени центральный, то есть американский Форум Intel для разработчиков проходит компактно — в три дня, но предваряется еще одним днем, насыщенным специальными обзорными докладами для представителей прессы, посвященными новейшим технологическим разработкам и перспективным направлениям работы корпорации Intel и ее партнеров.
Кстати, о партнерах — спонсорами нынешнего Форума Intel стали такие крупнейшие в индустрии компании как Hewlett-Packard (главный спонсор форума), Analog Devices, ATI, NVIDIA, Microsoft, Rambus, Seagate и SAP (золотые спонсоры), а среди серебряных спонсоров замечены, в частности, Infineon и Samsung.
Спонсоры — это не просто деньги на проведение сего масштабного мероприятия. Это, прежде всего, — технически и информационно насыщенные экспозиции этих компаний в рамках предстоящей Showcase (выставки), а также многочисленные доклады и семинары в потоках технических сессий. Обо всем этом мы постараемся вам рассказать по мере появления новой информации, а пока взглянем на основные события «нулевого» дня, то есть дня для прессы.
Повышенное внимание на данном IDF уделяется цифровой фотонике, развитию концепции цифрового дома, беспроводной связи и ряду других современных проблем. Популярность беспроводной связи подкрепляется, например, тем, что в «магазинчике» IDF
несколько полок уставлено новейшими книгами по это тематике.
Не забыта там и литература по 64-битным платформам (по слухам, на этом IDF возможны весьма неожиданные новости по этой теме).
Впрочем, не будем забегать вперед, а начнем по порядку.
Кремниевая фотоника
Первый доклад нулевого дня IDF был «инспирирован» недавним заявлением Intel о создании первого высокоскоростного оптического канала передачи данных, все компоненты которого выполнены на едином кремниевом чипе. В феврале «в Натуре» (то есть в знаменитом журнале Nature, где печатаются наиболее выдающиеся открытия из разных областей науки) вышло сразу две статьи на эту тему — сперва 12 февраля 2004 в разделе «news and views» появилась одностраничная заметка Грэхама Рида (Graham T. Reed) из University of Surrey, в которой сообщалось о создании специалистами Intel высокоскоростного кремниевого оптического модулятора и начале новой эры использования кремния — если до сих про этот материал безусловно доминировал при производстве электронных приборов, то в скором времени он может стать основой еще одного класса устройств — интегрированных оптических преобразователей. Грядет эра кремниевой фотоники, и это со всей очевидностью продемонстрировали недавние достижения корпорации Intel, которая, вообще-то уже много лет упорно и целенаправленно развивает эту область.
Во второй, уже более пространной статье в том же журнале (она датирована 22 февраля и выходит как Letters to Nature) уже сами специалисты Intel поделились деталями создания высокоскоростного оптического модулятора на базе MOП-структуры (Nature, том 427, стр.615–618, 2004 год). До сих пор одним из главных ограничений использования кремния для оптических схем была относительно низкая скорость работы реализованных на этом материале оптических приборов (то есть модуляторов, аналогичных по назначению полевым транзисторам в электронике). Аналоги на материалах группы AIIIBV и ниобате лития, как правило, обладали значительно лучшими скоростными характеристиками, тогда как кремниевые модуляоры до сих пор могли реально работать лишь на частотах до 20 МГц. Вместе с тем, теоретически не раз предсказывалось, что на кремнии возможно создание оптических модуляторов, работающих на частоте до 1 ГГц. Эту возможность и реализовали ученые Intel, проведя на нулевом дне текущего IDF первую в мире публичную демонстрацию работы оптического модулятора на частоте 1 ГГц.
На этом фото показан стенд, на котором проводились реальные эксперименты по передаче данных по интегрированному на кремнии оптическому каналу на частоте около 1 ГГц, а вот так выглядит сам кремниевый преобразователь:
Запустив стенд на относительно невысокой частоте,
докладчик на глазах у многочисленной аудитории плавно повысил частоту передачи данных (частоту работы) до 1 Гбит/с и даже чуть выше. Эпюры реальных сигналов в такой системе показаны на следующем фото (электрический модулирующий сигнал — вверху, оптический передаваемый — внизу).
Работа кремниевого оптического модулятора основана на эффекте сдвига фаз когерентного монохроматического излучения (получаемого от полупроводникового лазера) в специальном устройстве. Как известно, кремний хорошо пропускает инфракрасный свет определенного диапазона.
Поэтому в приповерхностном слое кремниевой пластины можно организовать специальные фотопроводящие участки (световоды), воздействуя на свойства которых при помощи модулирующего напряжения, можно добиваться регулируемого ослабления сигнала (схема интерферометра Маха-Зендера, см. фото).
Для этого используется МОП-конденсатор — изменяя напряжение между его обкладками (контактами) в диапазоне от 2 до 10 вольт удается менять коэффициент передачи оптического сигнала с длиной волны 1,54 микрона от –2 до почти –20 децибел (то есть почти на порядок), чего вполне хватает для реализации эффективного оптического модулятора.
Физически эффект модуляции в данном приборе основан на следующем. Модуляция коэффициента пропускания света в кремнии может быть достигнута при помощи известного эффекта дисперсии плазмы свободных носителей (для простоты - электронов). В отличие от обычных методов изменения плотности свободных носителей в кремнии (инжекция или обеднение электронов и дырок во внутренней области прямосмещенного p-i-n-диода), в интеловском приборе для модуляции плотности носителей используется МОП-конденсатор, изготовленый по технологии «кремний на изоляторе» с использованием углубленного (встроенного) слоя диоксида кремния (см. диаграмму чуть выше). Толщина кремниевого канала-световода составляет 1,4 микрона. В режиме накопления заряда основные носители в кремниевом световоде-конденсаторе изменяют коэффициент пропускания так, что возникает сдвиг фаз оптического излучения. Преимущество использования МОП-конденсатора заключается в том, что отсутствуют медленные процессы генерации и рекомбинации носителей, поэтому скорость модуляции резко возрастает. Подробности по технической реализации такой МОП-структуры можно найти в вышеуказанной статье.
Полученный в стенах Intel оптический кремниевый модулятор работает как при синусоидальном приложенном напряжении (0,18 вольт среднеквадратичного значния), так и при импульсном модулирующем напряжении размахом 3,5 вольт. Полоса пропускания данного оптического модулятора (по уровню –3 дБ) составляет 1 ГГц, что позволяет передвавть поток данных до 1 Гбит/с и на два порядка выше, чем у традиционных кремниевых модуляторов на p-i-n-диодах.
Данный модулятор имеет потери на чипе примерно 6,7 дБ — в основном из-за легированных и нелигированных областей поликремния в световоде (поликремний используется для затвора в МОП-структуре, то есть как одна из обкладок конденсатора, а также для снижения оптической абсорбции в металлических контактах). Если же вместо поликремния использовать монокристаллический кремний, выращенный эпитаксиальным способом, можно снизить оптические потери примерно на 5 дБ (как показывают моделирования), что также повысит частоту работы прибора. Повышению частоты могут способствовать уменьшение размеров прибора, толщины подзатворного диэлектрика (сейчас это 120 нм) и переход на другие длины волн. Всё это уже находится в стадии разработки в лабораториях Intel.
Без ложного пафоса можно констатировать, что грядет эра, когда электронные и оптические приборы будут существовать вместе на одном кремниевом кристалле и дополнять друг друга. Для наступления эры кремниевой фотоники потребуются еще примерно 5–10 лет активных исследований. В перспективе уже сейчас речь идет о передаче оптических сигналов на частоте свыше 10 ГГц (напомню, что электрические сигналы на такой частоте уже начинают испытывать некоторые трудности, см., например, прошлогодний доклад Стивена Павловски на московском IDF, www.terralab.ru/system/20465). Тогда как теоретический предел скорости передачи данных по единичному оптоволокну оценивается в 100 триллионов бит в секунду (этого достаточно, чтобы, например, одновременно говорили по телефону все жители Земли). Кстати, кремниевые приборы и световоды заметно удешевляют весьма дорогое на данный момент обрудование для фотоники.
Разумеется, работники Intel не могли не отметить, что закон Мура можно распространить и на скорость передачи информации по сети. Пример такого графика, которому намерены следовать сотрудники корпорации в дальнейшем, приведен ниже.
Продолжение (обзор следующих двух докладов нулевого дня) читайте во второй части нашего репортажа на www.terralab.ru/video/32154.
