Кремниевая фотоника: ключевая технология для оптических интерфейсов ввода-вывода

Что такое кремниевая фотоника?

Кремниевая фотоника объединяет фотонные компоненты — модуляторы, детекторы, волноводы и другие элементы — на единой кремниевой подложке с использованием стандартных и доступных КМОП-технологий. Это позволяет отказаться от громоздких дискретных устройств, снижает стоимость производства и делает возможной масштабируемую интеграцию оптических функций прямо в микросхемы.

С момента первых экспериментов в 1980-х годах технология прошла путь от отдельных оптических элементов до гибридных и монолитных интегральных решений, получивших широкое распространение в 2010-е годы. Для обозначения таких решений используется термин фотонные интегральные схемы (PIC, Photonic Integrated Circuits).

Пять ключевых преимуществ кремниевой фотоники

1. Совместимость с КМОП-технологией

Кремниевая фотоника полностью совместима с массовыми КМОП-процессами. Это значит, что фотонные устройства можно производить на существующих производственных линиях, что снижает стоимость и упрощает внедрение. Более того, даже предыдущие поколения КМОП-технологий подходят для создания фотонных компонентов.

2. Внешние лазерные источники

Поскольку кремний имеет непрямую запрещённую зону, лазеры не могут быть реализованы непосредственно на его основе. Для генерации света используются материалы III-V группы, такие как фосфид индия (InP), применяемые для создания полупроводниковых лазеров в диапазонах 1310 и 1550 нм. Такие лазеры могут размещаться во внешних модулях и подавать оптическую энергию на фотонные компоненты, обеспечивая стабильную работу систем.

3. Миниатюризация и интеграция

Фотонные элементы должны быть достаточно компактными, чтобы размещаться на одном чипе наряду с электронными компонентами. Одним из примеров является микрокольцевой модулятор, который в десятки раз меньше традиционного модулятора Маха–Цендера, что делает возможной высокую плотность интеграции и компактные чиплеты.

WDM-трансивер с микрокольцевыми модуляторами

4. Преодоление «энергетической стены»

Рост потребности в пропускной способности приводит к увеличению энергопотребления при передаче данных по медным кабелям. Уже сегодня энергозатраты на электрический ввод-вывод выходят за пределы допустимых значений для упаковки микросхем. Кремниевая фотоника решает эту проблему: она требует значительно меньше энергии для перемещения данных и позволяет направлять ресурсы на обработку, а не транспортировку информации.

5. Поддержка дезагрегированных архитектур

Оптические интерфейсы на основе кремниевой фотоники способны передавать данные на сотни метров без существенной потери качества сигнала. Это открывает возможность для дезагрегированных архитектур в центрах обработки данных, когда вычислительные ресурсы — процессоры, графические ускорители, память и хранилища — могут быть физически распределены, но объединяться программно под конкретные задачи. Такой подход повышает гибкость и улучшает эффективность использования оборудования.

Заключение

Кремниевая фотоника становится ключевым инструментом для преодоления ограничений традиционных электронных интерфейсов. Она снижает стоимость и энергопотребление, минимизирует задержки и открывает путь к новым архитектурам в вычислительной технике. Эта технология уже доказала свою значимость и в будущем будет играть центральную роль в создании высокопроизводительных, масштабируемых и энергоэффективных решений для обработки данных.