Фотонная интегральная схема (ФИС)

Технология производства ФИС похожа на технологию, используемую при производстве обычных интегральных схем — для разметки подложки используется фотолитография. Компоненты, которые могут присутствовать на ФИС, включают волноводные межсоединения, делители мощности, оптические усилители, оптические модуляторы, фильтры, лазеры и детекторы. На сегодняшний день оптические интегральные схемы имеют самое широкое применение. Ключевой областью их использования, для которой NeoPhotonics выпускает свое оборудование, являются волоконно-оптические линии связи.

Использование ФИС позволяет изготавливать более компактные и высокопроизводительные оптические системы (по сравнению с системами на основе дискретных оптических компонентов), а также предоставляет возможность их интеграции с электронными схемами для миниатюризации многофункциональных оптико-электронных систем и приборов.

Одним из базовых устройств на основе ФИС является оптический разветвитель (сплиттер) — пассивное устройство, разделяющее поток энергии, передаваемый по оптоволокну. Данное устройство является пассивным, поскольку для разделения оптической мощности электропитание не требуется.

С использованием оптических разветвителей открылась возможность передавать сигнал нескольким абонентам по одному волокну, что позволило снизить затраты на строительство волоконно-оптических линий передачи (ВОЛС). Эта возможность дала толчок развитию пассивных оптических сетей (PON).

Сществуют две основные технологии изготовления делителей оптических сигнала и соответственно два типа оптических делителей: планарные оптические разделители (английский термин Planar Lightwave Circuit splitter, PLC splitter) Сплавные оптические разделители (английский термин Fused Biconic Taper splitter, FBT splitter).Обзор российского рынка банковской цифровизации: импортозамещение, искусственный интеллект и собственные экосистемы 6.3 т

Планарные сплиттеры производятся методом химического осаждения оптического материала на кварцевой поверхности в несколько слоев с вытравливанием на одной из стадии через маску планарного световода требуемой конфигурации и оптической плотности. Планарный световод находится между пластинами оптического материала и играет роль сердцевины — по нему передается оптическая мощность. Фактически создается кристалл или микросхема, состоящая из кварцевой пластины и оптических материалов, обеспечивающих равномерное разделение оптической мощности и создается Y-образный оптический разветвитель.

Фотонные ИТ

Известно несколько попыток создать фотонный (оптический) компьютер. В 1990 г. макет такого компьютера продемонстрировала компания Bell Labs, которая доработала его к 1991 г. и представила под названием DOC-II.

В 2003 г. компания Lenslet представила оптический DSP-процессор EnLight256, ядро которого было создано по оптической технологии, однако управление было электронным.

В 2008 г. компания IBM продемонстрировала оптический коммутатор на чипе, основой которого послужили кремниевые отражающие резонаторы. В 2009 г. в Массачусетском технологическом институте научились создавать волноводы непосредственно на кремниевых чипах.

2024

В России запущено производство фотонных интегральных схем для ИИ

Российские производители изготовили фотонные интегральные схемы по топологии 90 и 350 нанометров в декабре 2024 года. Разработка предназначена для создания оптических квантовых и нейроморфных процессоров, необходимых для ускорения систем искусственного интеллекта и вычислительных устройств.

Как пишет CNews, компания «Микрон» создала схему на основе топологических норм 90 нанометров, а НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова выпустил схему с топологией 350 нанометров. Разработки ведутся в рамках создания гибридной электронно-фотонной вычислительной системы.

𝓲

Freepik

Научный руководитель НЦФМ, академик Российской академии наук Александр Сергеев заявил, что существующие фотонные вычислительные системы способны ускорить решение задач в сто-тысячу раз по сравнению с современными ЭВМ на графических ускорителях. Система предназначена для сверхбыстрой обработки данных с применением нейросетевых методов.

В научно-образовательном центре Функциональные Микро/Наносистемы в 2024 году разработана технология фотонных интегральных схем на основе волноводов из нитрида кремния. Технологии станут основой для реализации программы развития интегральной фотоники в России. Проектированием схем занимаются Зеленоградский нанотехнологический центр и научно-производственный комплекс «Технологический центр».

В Институте физики полупроводников СО РАН в Новосибирске созданы отечественные инновационные экраны размером тысяча на тысячу пикселей для высокопроизводительного фотонного процессора. Они изготовлены с использованием жидких кристаллов и применяются для распознавания объектов.^[1]

В России началась сборка фотонного процессора, который ускоряет нейросети в сотни раз

9 августа 2024 года стало известно о том, что в России стартовала сборка экспериментального образца фотонного процессора, который способен ускорять обработку данных в нейросетях в сотни раз по сравнению с современными полупроводниковыми компьютерами. Сборка, начатая в августе 2024 года, планируется завершить до конца 2024 года. Этот проект реализуется в Самарском университете имени Королёва в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ) при поддержке госкорпорации «Росатом». Подробнее здесь.

2019: Россияне нашли дешёвый способ создавать микролазеры для фотонных компьютеров

Найден эффективный, быстрый и дешёвый способ создавать перовскитные микролазеры — источники интенсивного светового излучения для оптических микрочипов, которые затем будут применяться в компьютерах следующего поколения. Об этом 13 марта 2019 года TAdviser сообщили в Дальневосточном федеральном университете. Технология была разработана учеными ДВФУ совместно с российскими коллегами из ИТМО, учёными Техасского университета Далласа и Австралийского национального университета. Статья об этом вышла в научном журнале ACS Nano (импакт-фактор 13).

Используя ультракороткие лазерные импульсы, учёные напечатали оптические микродисковые лазеры в тонких перовскитных плёнках на стеклянной подложке. Полученные перовскитные лазеры могут применяться в компьютерах будущего и шире — обеспечивать работу фотонных схем в устройствах сверхбыстрой обработки информации, утверждают в ДВФУ.

Учёные напечатали перовскитные микролазеры, используя ультракороткие лазерные импульсы

Мы использовали фемтосекундные лазерные импульсы со специальным профилем интенсивности в форме бублика. Прямое воздействие серии таких малоэнергетических импульсов на тонкую пленку галоидного перовскита позволяет сформировать диски диаметром до 2 микрон с аккуратными краями и минимальным термическим воздействием на перовскитный материал, что важно для последующей стабильной работы полученного лазера. Разработанная нами оригинальная технология лазерной печати позволяет быстро, малозатратно и с высокой степенью контроля производить микродиски разных диаметров практически в конвейерном режиме, рассказал научный сотрудник центра НТИ ДВФУ по виртуальной и дополненной реальности Алексей Жижченко.

Как подчеркнул ученый, оптимизация геометрии микродисков, изготовленных методом лазерной печати, позволила впервые получить перовскитный микролазер, стабильно работающий в одномодовом режиме генерации, то есть на одной длине волны. Это, по заявлению Алексея Жижченко, делает их перспективными для создания фотонных и оптоэлектронных наноприборов, микросенсоров и т.д.

В целом, по словам представителей ДВФУ, перовскитные микролазеры «демонстрируют впечатляющую производительность, работают при комнатной температуре и дёшевы в производстве». Однако ранее их изготовление было определённым вызовом. Проблема заключалась в отсутствии эффективных и малозатратных методов производства. Например, химический синтез не гарантирует получение структур одинакового размера с контролируемыми характеристиками. Контроль достигается с использованием шаблонов, производимых дорогостоящими методами нанолитографии, пояснили ученые. Кроме того, параметры перовскитных микролазеров, продемонстрированных ранее, не позволяли добиться их одномодового режима работы. Оригинальный метод лазерной печати перовскитных дисков, разработанный учёными ДВФУ и ИТМО в партнёрстве с зарубежными коллегами, снимает это ограничение. По утверждению специалистов, он позволяет легко создавать стабильные лазерные источники света с заданными, контролируемыми параметрами. По их оценкам, методика может быть внедрена в производство уже в ближайшем будущем.

Достижения сотрудников центра НТИ ДВФУ по виртуальной и дополненной реальности стали следствием реализации приоритетного проекта «Материалы». Нам удалось собрать активную международную команду специалистов мирового уровня, значительная часть которой — молодые учёные до 30 лет, — заявил проректор ДВФУ по научной работе Кирилл Голохваст. — Проведение лазерных исследований такого уровня стало возможно благодаря установленному фемтосекундному лазерному литографу, а также тесному сотрудничеству коллективов физиков ДВФУ и ИТМО.

2016

Ученые смогли передать информацию с помощью одного фотона

Ученые Принстонского университета разработали устройство, позволяющее одному электрону передавать квантовую информацию фотону. Исследование было опубликовано в конце 2016 года в журнале Science и может стать настоящим прорывом в сфере квантовых компьютерных технологий^[2].

«Теперь у нас есть возможность непосредственно передавать квантовое состояние фотону. Раньше это было невозможно сделать с помощью полупроводниковых приборов, поскольку квантовое состояние утрачивалось до того, как успевало передать информацию», - пояснил ученый Принстонского университета Сяо Ми.

Созданное учеными устройство является результатом пяти лет исследований и представляет собой полупроводниковый чип, состоящий из кремниевых и кремниево-германиевых слоев, поверх которых расположены нанопровода. Эти провода тоньше человеческого волоса и нужны для доставки чипу электроэнергии. С ее помощью ученые смогли захватить электрон между кремниевыми слоями в микроструктурах, известных как квантовые точки (фрагменты проводника или полупроводника, носители заряда которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям).

В данном случае роль мельчайшей частицы информации (бита) играет электрон. Как правило, бит имеет одно из двух значений – 1 или 0. Однако в квантовых вычислениях мельчайшие частицы информации (кубиты) могут иметь одновременно два значения. Возможность манипулировать кубитами существенно ускоряет вычисления, поскольку машина может решать не одну, а одновременно несколько задач.

В качестве посредника между электронами ученые избрали фотон, поскольку он более устойчив к внешнему воздействию и может передавать информацию между квантовыми чипами, а не только внутри микросхем одного квантового чипа.

Россияне сделали возможным создание фотонного компьютера

Российские ученые смоделировали оптическую систему, которая позволяет передавать сигнал практически без потерь, что до сих пор было невозможно в так называемых плазмонных и нанооптических устройствах. В созданной модели малое усиление компенсирует потери сигнала в волноводах. Открытие обещает произвести революцию в ИТ-отрасли^[3].

Исследование провели сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова и Московского физико-технического института (МФТИ). Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.

Система волноводов

В ходе исследования ученые провели ряд экспериментов с оптическими волноводами, которые применяются в оптоволоконных линиях связи. Несмотря на то, что технология уже используется для обеспечения интернет-соединения, ее применение на микроэлектронном уровне ограничено из-за проблемы потери сигнала.

Схематическое изображение системы двух волноводов с периодически изменяющимся расстоянием между ними (Источник: МФТИ)

Ученые сконструировали систему из двух волноводов и начали воздействовать на ее параметры, проверяя, как это влияет на сигнал. Один волновод имел поглощающую среду, второй — усиливающую. Для такой системы характерно изменение электромагнитной волны, которая то возрастает, то убывает. Это вызвано тем, что волна, которая распространяется в одном волноводе, взаимодействует при этом со вторым.

В результате поле перетекает из одного волновода в другой, причем скорость его перетекания тем больше, чем ближе находятся волноводы. Если максимум поля находится в усиливающем волноводе, волна становится интенсивнее, если в поглощающем — она спадает.

Влияние на систему

Во время эксперимента ученые периодически меняли расстояние между волноводами, что влияло на перетекание между ними поля. Их задачей было подобрать такую схему изменения расстояния, при которой амплитуда электромагнитного поля будет возрастать в обоих волноводах даже тогда, когда потери в первом волноводе превышают усиление во втором.

Зависимость интенсивности сигнала (сплошная линия) и амплитуды поля (штриховые линии) в первом и во втором волноводах в зависимости от координаты вдоль них (Источник: МФТИ)

В итоге исследователям удалось на пике интенсивности системы изменить расстояние между волноводами так, что поле сконцентрировалось в волноводе с усиливающей средой. Следствием этого стало усиление сигнала. Теоретически, за счет изменения расстояния между волноводами можно до бесконечности наращивать мощность.

Ученые пришли к выводу, что параметры волноводов следует настроить на точку совпадения модов волн, и тогда почти любое изменение параметров повлечет за собой нужное перераспределение поля. Описанная схема также поможет в борьбе с нелинейными эффектами, подавляющими рост амплитуды сигнала.

С помощью этого метода можно добиться постоянного устойчивого сигнала в фотонных схемах, что сделает фотонные компьютеры реальностью. Передача сигнала с помощью фотонов происходит намного быстрее, чем с помощью электронов, поскольку скорость фотонов равна скорости света.

Смотрите также

• Роснано Neophotonics
• Квантовые компьютеры и квантовая связь
• Квантовая криптография (шифрование)
• Российский квантовый центр (РКЦ, Russian Quantum Center, RQC)
• Суперкомпьютер

Примечания