Кремниевая фотоника: нерядовой инструментарий для нерядовых задач / Offсянка

Квантово-оптическая интегральная схема по нынешним микроэлектронным меркам не такая уж и «микро» (источник: Imec)

«Фотоника» — термин чрезвычайно многозначный. Начать с того, что само его происхождение по меньшей мере двояко: так, англоязычные источники относят его появление к 1954 г., когда Джон Кэмпбелл (John W. Campbell), американский фантаст и издатель, получавший образование в легендарном Массачусетском технологическом институте и Университете Дьюка, поведал в частном письме немецкому философу Готтарду Гюнтеру (Gotthard Günther): «Я тут, кстати, решил изобрести новую науку — фотонику. Она будет иметь такое же отношение к оптике, какое электроника имеет к электроинженерии». В русскоязычной же традиции принято относить первое употребление термина «фотоника» к 1967 г., когда известный своими трудами в биомолекулярной области академик А. Н. Теренин опубликовал книгу «Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений».

Так или иначе, фактически фотоника как широкая область естественно-научных знаний, охватывающая все системы, в которых информацию переносят именно фотоны, стала активно развиваться с 1960-х гг. — с началом широкого применения лазеров, а позже и оптоволокна. Формально же заря подлинно широкого применения этого термина восходит к 1980-м годам — в первую очередь как раз в приложении к телекоммуникациям. Но одной только передачей данных по оптоволокну исследователи не собирались ограничиваться с самого начала. Предельная для нашей Вселенной скорость света, с которой движутся фотоны, обещала в перспективе выход на невиданную по нынешним меркам производительность логических схем, где вместо электронов переносчиками информации выступали бы кванты электромагнитного излучения, — вот только проектировать и реализовывать на практике такие схемы оказывается не слишком просто. Но исследователи не опускают руки — хотя прямой замены электронных чипов фотонными в составе ПК, серверов и смартфонов вокруг нас ожидать совершенно точно не стоит.

⇡#Куда же без кремния?

Первоначально интегральные устройства, реализующие на практике идеи фотоники, имели отношение в основном к телекоммуникациям — и потому в качестве материальной основы для их построения брались вещества, оптимальные с оптической точки зрения: легированное кварцевое стекло, ниобат лития, фосфид индия и т. п. Оптоэлектроника на линиях связи была, да в значительной мере и сегодня остаётся составной: электроника на кремниевой основе — отдельно, терминальные узлы для приёма/отправки оптических сигналов на базе фотоники — отдельно, а между ними — соответствующие преобразователи. Однако электронные схемы только тогда принялись по-настоящему покорять мир, когда стали интегрированными — и тем самым пригодными к массовому серийному производству со значительным снижением себестоимости единицы продукции.

Кремниевая фотоника привлекательна тем, что допускает потоковое изготовление чипов отменно отработанными на СБИС методами (источник: Imec)

По этой причине интегральные решения для фотоники также представляются наиболее перспективными. По счастью, (поли)кристаллический кремний — не такое уж неподходящее для создания (около)оптических систем вещество: он прозрачен для инфракрасного излучения (с длиной волны более 1 мкм), а безразмерный коэффициент преломления для него составляет около 3,5 — в случае ближнего инфракрасного диапазона. Для сравнения: различные сорта оптических стёкол, идущих на изготовление линз для работы с видимым светом, преломляют тот с показателем в диапазоне от 1,4 до 2,2. А значит, отклонять потоки ИК-излучения кремниевая линза сможет весьма эффективно — даже обладая небольшими физическими габаритами (точнее, оптической апертурой). А раз так, то в теории ничто не препятствует созданию чисто кремниевых интегральных схем для нужд фотоники — где электронные и оптические компоненты будут располагаться на единой подложке.

Сегодня кремниевая фотоника (silicon photonics, SiPh) представляет собой бурно развивающееся ИТ-направление, материальной основой для которого служат гибридные квантово-оптические интегральные микросхемы (photonic integrated circuits, PIC; русскоязычная аббревиатура — КОИС; называть их просто «фотонными» не совсем корректно, поскольку там и электронные компоненты присутствуют, а «фотониковыми» — как-то неблагозвучно). Изготавливают PIC/КОИС методами классической фотолитографии, применяя пластины кремния-на-изоляторе (silicon on insulator, SOI), что обеспечивает приемлемую себестоимость и массовость получаемой продукции. Так почему же до сих пор новые ЦП, ГП и НП (нейропроцессоры) поколение за поколением представляют собой именно полупроводниковые электронные СБИС, а не КОИС? Причин тому немало, и для того, чтобы в них разобраться, есть смысл вернуться к базовому для полупроводниковой электроники понятию запрещённой зоны и, шире, проводимости как физического явления.

Сравнительно крупный масштаб производственных процессов, необходимых для изготовления КОИС, делает их производство доступным даже в отсутствие наиболее передовых фотолитографов (источник: TU/e)

Напомним, что металлы отличает от всех прочих веществ наличие в них свободных электронов — т. н. электронов проводимости — даже при абсолютном нуле температуры. Причём наличие довольно-таки заметное: около 10²² единиц в 1 см³ и более. Неметаллы при температурах выше абсолютного нуля тоже обретают определённую концентрацию электронов проводимости — из-за того, что тепловые колебания атомов около своих позиций в кристаллической решётке провоцируют (с некоторой вероятностью) отрыв электрона с внешней оболочки своего атома и переход его в свободное состояние. Вероятность эта определяется разницей энергий электрона, сидящего на атомной оболочке (в валентной зоне), и обретшего свободу (пребывающего в зоне проводимости). Собственно, минимальный зазор между «дном» зоны проводимости и «потолком» валентной зоны и называют шириной запрещённой зоны — это тот самый параметр, по которому, как мы уже не раз отмечали в серии статей «Он вам не силикон», многие экзотические полупроводники оказываются предпочтительнее кремния. В целом при комнатной температуре у полупроводников в 1 см³ объёма имеется 10¹³-10¹⁷ свободных электронов, а у полуметаллов — 10¹⁷-10²². Границы эти, ясное дело, довольно-таки условны.

Так вот, две зоны стабильного пребывания электронов в веществе — валентности и проводимости — могут располагаться симметрично или асимметрично. Имеется в виду представление этих зон на графиках зависимости энергии электронов от их импульса (там же, кстати, становится очевидно, почему у зоны проводимости именно «дно», а у валентной — «потолок»). Точнее, конечно, говорить о квазиимпульсе (crystal momentum) — принятой в физике твёрдого тела характеристике квазичастицы (всё того же подвижного электрона в периодическом поле кристаллической решётки), но в данном случае это не так существенно. Зато важно, как проявляет себя симметрия, — в ситуации, когда экстремумы соответствующих графиков (минимум для обрисовывающего зону проводимости и максимум для изображения валентной зоны) приходятся на одно и то же значение (квази)импульса. Понятно, что в реальном кристалле необходимо учитывать его трёхмерную структуру, что делает зонную картину электронного спектра значительно более сложной. Но в любом случае для полупроводника при комнатной температуре, когда плотность свободных электронов сравнительно невелика, можно считать, что освобождаются только состояния вблизи максимумов спектра в валентной зоне, а оказываются занятыми — лишь состояния вблизи минимумов спектра в зоне проводимости. Такие полупроводники называют прямозонными.

Диаграммы зависимости энергии электронов от квазиимпульса для прямозонного (слева) и непрямозонного полупроводника (источник: Wikimedia Commons)

Соответственно, у непрямозонных полупроводников минимум энергии в зоне проводимости не совпадает с максимумом энергии в валентной зоне. И кремний как раз относится к непрямозонным полупроводникам, что существенным образом снижает его эффективность как светодиодного материала. Мы ведь рассуждаем о гибридной интегральной фотонике — т. е. об оптических излучателях, волноводах и классических логических контурах, изготавливаемых за один проход на общей подложке, верно? Так вот, у прямозонного полупроводника электрон в энергетическом минимуме зоны проводимости способен при определённых условиях сбросить часть энергии, излучив фотон, и переместиться в максимум валентной зоны, не меняя своего (квази)импульса, т. е. предельно энергоэффективным образом. Если же минимум первой зоны и максимум второй разнесены в импульсном пространстве, то свободному электрону для превращения в валентный придётся ещё и скорректировать свой импульс. Происходит это за счёт образования квазичастицы фонона — грубо говоря, часть энергии рекомбинации (свободного электрона с дыркой на том месте, где должен был присутствовать валентный) расходуется в итоге на нагрев образца.

В результате эффективность излучательной рекомбинации оказывается крайне низка: переход электрона из свободных в валентные с испусканием и фотона, и фонона занимает на несколько порядков больше времени, чем в случае прямозонных полупроводников — с одним только фотоном. Это, в свою очередь, порождает новую проблему: поскольку реальный образец даже высокочистого кристаллического кремния не абсолютно свободен от дефектов, у свободного электрона и дырки в валентной зоне появляется возможность рекомбинировать на таких дефектах без испускания фотона — поскольку это оказывается энергетически выгоднее, чем «дожидаться» неспешного формирования фонона для излучательной рекомбинации. К счастью, за счёт внедрения в кремний определённого рода присадок с этой проблемой научились справляться уже в самом начале XXI века, и к настоящему времени кремниевая фотоника предлагает самый широкий спектр устройств — волноводов, модуляторов, фотодетекторов, а также комбинаций этих элементов, собранных в гибридные КОИС. Скажем, SiPh-трансиверы поддерживают обмен данными со скоростями до 400 Гбит/с, а то и более, потребляя притом гораздо меньше энергии, чем микроэлектронные их аналоги, а SiPh-лидары позволяют формировать высокодетализированные изображения обширных участков земной поверхности за ничтожно малое время. Словом, всем хороша кремниевая фотоника, вот только логические элементы на её основе организовывать сложновато. Другой вопрос — а стоит ли заниматься этим в принципе?

⇡#Тут надо логически

Любая логическая схема нуждается не только в вентилях, производящих собственно логические операции, но и в каналах, по которым распространяются сигналы. Для микроэлектроники каналы традиционно выполняются из хорошо проводящих металлов, — алюминия и меди. В случае кремниевой фотоники особых проблем с каналами тоже на первый взгляд не должно быть. Сам кремний, как уже говорилось, на рабочей для множества SiPh-устройств волне 1550 нм (инфракрасное излучение) характеризуется коэффициентом преломления около 3,5, тогда как у диоксида кремния, SiO₂, этот показатель — примерно 1,6. Собственно, как раз по этой причине в качестве основания для производства микросхем кремниевой фотоники выбирают пластины кремния на изоляторе, а не заготовки из чистого Si: расположенный на подложке SiO₂ полупроводниковый (кремниевый) гребень, ограниченный по сторонам и сверху либо воздушным зазором, либо тем же диоксидом кремния, становится отличным волноводом для ИК-фотонов нужного спектрального диапазона: те хорошо отражаются от границы между средами с существенно разнящимися коэффициентами преломления (эффект полного внутреннего отражения) и путешествуют вдоль гребня с приемлемыми потерями.

(a) — конструкция заготовки (кремний на изоляторе) для изготовления КОИС, голубая полоса толщиной 0,3 мкм — слой SiO2; (b) — сформированный на поверхности такой заготовки волновод шириной 3 мкм, внутри которого распространяется пучок фотонов, — чем краснее грушевидная зона в сечении пучка, тем выше там интенсивность потока (источник: NVIDIA)

И всё бы ничего, но уже одно упоминание о характерной длине волны рабочего излучения — 1550 нм — должно насторожить даже не самого внимательного читателя, имеющего представление о маркетинговом масштабе актуальных сегодня микроэлектронных техпроцессов, «5 нм» и «3 нм», — и, кстати, «1 нм», как обещают чипмейкеры, не за горами. Ранее мы в серии статей, посвящённых фотолитографическому производству, поясняли, в какой мере маркетинговые наименования техпроцессов отличаются от реальных минимально достижимых пределов разрешения при изготовлении микросхем, но в любом случае это первые десятки нанометров — никак не сотни и тысячи. Таким образом, интегрированный с полупроводниковой СБИС волновод с характерной шириной канала, исчисляемой микрометрами, будет смотреться как нормальная городская улица, застроенная по сторонам возведёнными из кубиков LEGO зданиями и деревьями вместо настоящих, полноразмерных.

И это один только прямой волновод! На принципиальных электронных схемах токоведущие шины принято изображать отрезками прямых; если реализация данного логического элемента того требует — соединяющимися под прямыми углами. В реальности проводящие металлические дорожки тоже прекрасно загибаются, куда и как им прикажет инженер-проектировщик, — электрон внутри металлической шины не собьётся с пути, если та повернёт вдруг на 90°. Фотоны внутри волноводов — дело иное: для переотражения в нужном направлении угол, под которым они встречаются со стенкой, должен быть весьма далёк от отвесного. А это значит, что, если волновод от одной точки на схеме до другой невозможно выполнить прямолинейным, его придётся не ломать под прямым углом, что допускает токоведущая шина, а аккуратно загибать — с минимальным радиусом около 250 мкм для уже упомянутого кремния. Да, в последние годы характерные габариты волноводов в сечении исчисляются уже сотнями нанометров, а допустимые радиусы их изгиба — единицами микрометров, но эти масштабы всё равно заведомо превосходят характерные для чисто микроэлектронных устройств.

Один из базовых элементов КОИС, направленный ответвитель (directional coupler), может выполняться изогнутым: (a) — его общий вид; (b) — расчётные параметры схемы, включая указание на минимально допустимые радиусы изгиба (источник: Micromachines)

В любом случае построенная только на оптических элементах логическая схема укрупнится по сравнению с микроэлектронным аналогом и за счёт масштабирования каналов передачи сигнала (вместо металлических дорожек — волноводы), и вследствие необходимости перекомпоновать всю схему так, чтобы заменить прямоугольные повороты каналов изящными закруглениями. Несколько утешает тот факт, что оптические волноводы, в отличие от шин для распространения электрических зарядов, могут свободно пересекаться, не провоцируя коротких замыканий и потери данных: уже одно это позволяет не громоздить один на другой слои металлических межсоединений над кремниевой основой микросхемы, а обойтись одно-, максимум двуслойными конструкциями. Но масштаб отступления по фронту производственной нормы всё равно оказывается удручающим: гибридные КОИС выходят существенно крупнее своих полностью микроэлектронных аналогов. Правда, использование других, помимо чистого кремния, полупроводников вселяет некоторую надежду — скажем, оптоэлектронные схемы на основе нитрида кремния (SiN) дают возможность применять для переноса данных более коротковолновое излучение, вплоть до видимой области спектра. Кстати, источниками света для КОИС становятся полупроводниковые лазеры на базе прямозонных материалов, таких как фосфид индия (InP), — чистый кремний в данном случае попросту не годится, то есть источник света для кремниевой фотоники нужен внешний. Соответственно, оказываются необходимы входные ответвители (input couplers) для подачи светового потока на SiPh-устройство и для перенаправления преобразованного им света далее по оптоэлектронному контуру. Всё это значительно усложняет схемотехническое воплощение кремниевой фотоники.

Специалисты компании Synopsys, одного из ведущих в США и мире разработчиков средств для инженерного дизайна микросхем самого разного рода, прямо указывают в своём глоссарии, в разделе «Что такое кремниевая фотоника?»: «PIC не способны в отрыве от „обычных“, электронных интегральных схем сформировать законченное решение, сразу же готовое к применению». Имеется в виду, что даже, к примеру, трансивер — ключевой для обмена информацией по оптоволокну модуль, преобразующий потоки данных из электронной формы в фотонную и обратно, — не может обойтись без микроэлектронного контура, управляющего сигнальным модулятором и производящего дополнительную обработку сигналов. Оптические модуляторы, в свою очередь, нужны для кодирования данных в лазерном луче, который затем распространяется по оптоволокну до фотоприёмника, входящего в состав трансивера на другой стороне коммуникационной линии.

Сверхузкополосный перенастраиваемый полупроводниковый лазер может применяться для внешней «подсветки» КОИС (источник: PhotonDelta)

Теоретически модулировать лазерный луч можно было бы, попросту включая и выключая его и создавая тем самым поток «точек и тире» на манер азбуки Морзе, но более приемлемой из соображений, которые будут пояснены далее, признана модуляция непрерывного потока фотонов по поляризации, интенсивности или фазе — на основе, к примеру, несложного интерферометра Маха — Цендера (Mach-Zehnder modulator). Такой модулятор представляет собой разветвляющийся на два канала, а затем снова сходящийся волновод, причём к одному из каналов прикладывается напряжение, величину и длительность которого задаёт как раз микроэлектронный контур. Если бы физические параметры обоих каналов раздвоенного волновода были одинаковы, свет — после возвратного схождения двух этих пучков в один — оставался бы точно таким же, как до попадания в интерферометр. Но поскольку прикладываемое к волноводу напряжение меняет его свойства — в частности, показатель преломления, — прошедшая по этой ветке интерферометра световая волна также становится отличной от той, что пропутешествовала за то же время по второй ветке. Складываясь затем воедино, исходный по параметрам (но уполовиненный по интенсивности) и модулированный потоки фотонов образуют световой пучок уже с переменной интенсивностью — где, собственно, и закодирована информация. Часто ради экономии энергии не прикладывают высокое значение напряжения V лишь к одной из веток интерферометра Маха — Цендера, а на одну подают +V/2, на другую −V/2 — и в итоге получают тот же эффект. Разумеется, ради повышения эффективности такие волноводы выполняют из материалов с сильным электрооптическим эффектом — вроде LiNbO₃, GaAs, InP, — что ещё более затрудняет интеграцию их с кремниевыми СБИС.

⇡#Кристаллизация причинности

Помимо микроэлектронной схемы, ответственной за управление работой оптического модулятора, типичный трансивер содержит ещё множество функционирующих благодаря электронам контуров — занятых коррекцией ошибок, обработкой пакетов, усилением сигнала и проч. И по большей части — хотя формально кремниевая фотоника допускает совместное фотолитографирование электронных и оптических узлов на одной пластине-заготовке — два этих рода схем выполняются на отдельных чипах, причём по существенно различным техпроцессам, и объединяются в рабочее решение — собственно трансивер — уже на финальном этапе его выпуска. Причина банальна и не раз уже упоминалась: если в начале 2000-х ещё шли довольно серьёзные разговоры о сравнительно скорой (лет через 15 или около того!) замене электронных логических контуров внутри компьютеров фотонными, то уже к исходу второго десятилетия XXI века стала очевидной бесперспективность развития технологий в этом направлении. Миниатюризация классических СБИС происходила настолько умопомрачительными темпами (спасибо самосбывающемуся пророчеству Мура), что фотонные контуры безнадёжно отстали от электронных по показателю числа условных транзисторов (базовых логических элементов) на единицу занимаемой площади — и отставание это вовсе не из тех, что можно преодолеть очередным технологическим скачком.

Различные оптические компоненты КОИС (не в едином масштабе): внешний лазер, входной ответвитель, оптический модулятор, волноводы, направленные ответвители, оптический кольцевой резонатор, фотодиоды и фотонный кристал (источник: Comsol)

Производственный процесс «3 нм» обеспечивает размещение на 1 мм² поверхности планарного чипа (мы даже не начинаем здесь разговор о возможности вертикальной упаковки СБИС!) около 300 млн транзисторов. Да, чтобы их должным образом соединить, формируя логические контуры, требуется до полутора десятков слоёв с металлическими шинами, но поскольку каждый последующий слой выполняется по более масштабной технологической норме, чем нижележащий, это серьёзной производственной проблемы не представляет. В то же время типичный составной элемент SiPh-микросхемы, хотя бы тот же самый модулятор, не может обладать характерным размером, меньшим, чем хотя бы несколько длин волны света, который по этому элементу распространяется; для ближнего ИК-диапазона — микрометр с лишним. И это не эмпирическое правило, а закон природы: никакой прогресс в технологической области не позволит уменьшить длину волны инфракрасного фотона до нескольких нанометров. А если попробовать применять вместо ИК и видимого света существенно более коротковолновое излучение, начинаются проблемы уже на уровне подбора материалов, способных адекватно воспринимать облучение жёстким УФ и рентгеном, — примерно те же, что изрядно затрудняли рассматривавшийся нами ранее переход от DUV- к EUV-фотолитографии.

Итого, один-единственный модулятор будет занимать на гибридной SiPh-микросхеме, условно, 10 × 10 мкм (10⁻⁴ мм²). Если такой чип изготавливать по «3-нм» технологическим нормам, на той же площади разместилось бы 30 тыс. транзисторов. А ведь модулятор — это всего лишь, грубо говоря, простейший вентиль, способный разрешать или запрещать прохождение света ровно так же, как транзистор управляет пропусканием электрического тока через свой канал. Иными словами, пытаясь создавать чисто фотонные вычислительные схемы, проектировщики будут жертвовать четырьмя-пятью десятичными порядками количества логических элементов на единицу площади СБИС. Не станем забывать и о большей длине фотонных волноводов в сравнении с металлическими токоведущими шинами; и о необходимости плавно скруглять углы, чтобы внутри меняющего направление волновода продолжал действовать эффект полного внутреннего отражения, — всё это может увеличить занимаемую чисто фотонным логическим контуром площадь ещё на порядок, а то и на два. Кремний, кстати, при всех своих достоинствах не слишком хорош как среда для распространения ИК-излучения. Потери в канале (определяются как доля фотонов, не добравшихся до выхода, от их же числа на входе) даже на микрометровых дистанциях могут достигать 90%.

Во-первых, фотонные кристаллы — это просто красиво (источник: LaserFocusWorld)

Ещё одно ограничение на развитие чисто оптических вычислителей накладывает сама фоннеймановская архитектура практически всех современных компьютеров (за исключением разве что аналоговых и квантовых), подразумевающая обработку операций в циклах выборки-выполнения (fetch-execute cycles). Микропроцессор в этой логике получает (выбирает) инструкцию из памяти, исполняет её с учётом принятых с устройства ввода данных и передаёт результат либо в память же, либо на устройство вывода, вслед за чем цикл повторяется. Фотон же не существует в состоянии покоя, и потому создать оперирующую исключительно на этих частицах подсистему памяти, которая функционировала бы аналогично микросхемам DRAM и NAND, чрезвычайно затруднительно. Правда, в последнее время активное развитие получает направление фотонных кристаллов — и вот этот подход к организации чисто оптических (безэлектронных) вычислений вполне может оказаться перспективным.

Фотонные кристаллы довольно широко представлены в природе: именно они отвечают, в частности, за переливчатый блеск опалов или крыльев тропических бабочек. Физическую основу среды, определяемой как фотонный кристалл, составляет периодическая структура с переменной величиной диэлектрической проницаемости (а именно от неё, напомним, зависит значение показателя преломления света), так что в различных областях этой среды образуются зоны, разрешённые и запрещённые для прохождения фотонов определённых энергий (или длин волн). В известном смысле фотонный кристалл для квантов света — функциональный аналог полупроводника для электронов, который пригоден для организации логических вентилей именно потому, что содержит разрешённые и запрещённые для размещения электрического заряда зоны. В зависимости от того, как именно упорядочены зоны переменной диэлектрической проницаемости в среде, фотонные кристаллы подразделяются на одно-, дву- и трёхмерные. Для целей прикладной фотоники наибольшую актуальность на данном этапе представляют двумерные — плоские — фотонные кристаллы, изготавливать которые фотолитографическими методами на общей подложке ничуть не сложнее, чем гребенчатые структуры FinFET, например.

Волновод с перфорированными стенками позволяет управлять свойствами проходящего по нему светового пучка — просто, как всё гениальное (источник: intechopen)

Простейший способ организации двумерного фотонного кристалла заключается в том, что вместо узкого кремниевого волновода формируется более широкий, причём без боковых стенок в привычном смысле этого слова. По сторонам от магистральной линии, по которой должен распространяться поток квантов света, выполняется перфорация — стандартным для фотолитографии методом выборочного травления. Таким образом вдоль трассы фотонного луча возникает два ряда упорядоченных неровностей — причём и сами их размеры, и расстояния между ними много меньше длины волны рабочего излучения, так что полному внутреннему отражению от границ волновода они существенно не мешают. Точнее, так: подбирая геометрические размеры периодически расположенных полостей и расстояния между ними, можно определять разрешённые и запрещённые частоты: световая волна с первыми будет свободно проходить сквозь фотонный кристалл, а со вторыми — гаситься вследствие деструктивной интерференции. Мало того: если теперь внести определённые нарушения уже в периодичность размещения полостей, луч света с прежде запрещённой частотой вновь сможет распространяться по такому волноводу, но уже несколько более хитрым образом. В результате фотонный кристалл с периодически изменяющимся показателем преломления оказывается аналогом полупроводника с запрещёнными для электронов зонами — аналогично брэгговской дифракции рентгеновского излучения на отдельных участках кристаллической решётки (об этом явлении мы тоже довольно подробно говорили в материале о EUV-фотолитографии).

Как уже упоминалось ранее, элементарные полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы — именно по причине своей нелинейности (в смысле непропорциональности уровня величины отклика уровню поданного на схему сигнала) отлично подходят для организации логических контуров. Оптические же системы линейны — точнее, проявляли себя в земных лабораториях исключительно как линейные до тех пор, пока не появились лазеры. Высокая интенсивность лазерного излучения, формируемое которым электрическое поле состязается по мощи со связями, удерживающими электроны вблизи атомных ядер, заставляет оптические среды нелинейным образом откликаться на проходящие сквозь них потоки высокоэнергичных квантов света. В частности, повышаются роли высоких гармоник в структуре поляризации электромагнитной волны — начинает проявлять себя оптический эффект Керра, суть которого в том, что интенсивный пучок света в среде может сам создавать модулирующее электрическое поле без необходимости приложения внешнего поля. Таким образом, фотонный кристалл, по которому проходит достаточно сильное лазерное излучение, не будет нуждаться во внешней микроэлектронной схеме для собственной модуляции — надо лишь скрупулёзно подобрать геометрические параметры решётки, формирующей волновод, а также расположить в ней неоднородности так, чтобы получить на выходе желаемый результат.

Организация вентиля «логическое НЕ» на фотонном кристалле: (a) — обозначение этого узла на схемах и соответствующая таблица истинности; (b) — собственно воплощение вентиля в полупроводнике; см. пояснения в тексте (источник: intechopen)

А каким именно этот результат будет, зависит от того, что за материал взят для формирования фотонного кристалла. При взаимодействии с мощным лазерным излучением интенсивности I показатель преломления n начинает зависеть от неё напрямую по формуле

n (I) = n₀ + n₂ I,

где n₀— классический, линейный показатель преломления, а n₂— его нелинейная компонента второго порядка, обусловленная как раз оптическим эффектом Керра. Так вот, в зависимости от выбранного для фотонного кристалла материала, n₂ может принимать положительное либо отрицательное значение. Чистый кремний в этом отношении — не самая выдающаяся среда, поскольку для него показатель n₂ и положителен, и чрезвычайно мал, поэтому исследователи активно изучают сегодня целый ряд других подходящих для фотоники материалов, часто весьма экзотических.

Так или иначе, фотонные кристаллы уже позволяют создавать полнофункциональные логические вентили — «НЕ», «И», «ИЛИ» и проч. Например, для вентиля «НЕ» потребуется кристалл на основе материала с отрицательной величиной n₂ — в качестве примера можно привести квантовые точки на основе селенида свинца, PbSe. Структура полостей, формирующих фотонный кристал, нарушается в данном случае внедрением нанополости такого размера и на таком расстоянии от волновода, чтобы в отсутствие модулирующего импульса постоянный поток фотонов проходил бы сквозь кристалл свободно (на входе — логический «0», на выходе — логическая «1»), тогда как активация такого импульса приводила бы за счёт моментального изменения показателя преломления к исчезновению выходного потока света (на входе — «1», на выходе — «0»). Можно даже сформировать структуру, аналогичную полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM), — но следует помнить, что физические габариты микросхем на чистой фотонике в любом случае будут на несколько порядков больше, чем у полностью соответствующих им идейно транзисторных.

Именно потому наиболее предпочтительная область для развития фотоники всё-таки лежит вне пределов, задачи в которых уже сегодня успешно решаются фоннеймановскими компьютерами. Аналоговые, квантовые вычисления, особые узлы для ускорения ИИ-расчётов, о которых мы говорили в прошлом нашем материале, — но не банальная замена транзисторных контуров фотонными кристаллами. По счастью, как раз такие — нетривиальные для классических вычислительных систем — задачи в обозримой перспективе и будут для человечества, судя по всему, самыми актуальными.

Материалы по теме: