Интегральная Фотоника Александр Колесов, Андрей Литманович

БИБЛИОТЕКА ЮНОГО ТРЕНДВОТЧЕРА

Александр А Колесов Андрей Литманович

Интегральная Фотоника

Оглавление

Вступление

Экскурс

Оптоэлектронная технология как предварительное условие интегральной фотоники

Оптикоэлектронная технология

Интегральная фотоника

Актуальное состояние и ближайшие перспективы

Современные серийные решения на базе фотонных микросхем

Крупные производители Интегральных оптических модулей (ИОМ)

Finisar

Lumentum

NeoPhotonics

Oclaro

Broadcom

Современные устройства на базе ОИМ

Оптические трансиверы

Когерентные приемо-передатчики

100G/400G PAM4

Интегральные волноводы

Устройства для связи внутри платы

Коммутационная матрица

Кросс-бар

Матрица временного перемещения (MTM)

Матрица пространственного перемещения (MSP)

Базовые элементы Фотонных микросхем (PDK)

Материалы и структуры PDK

Технологические правила PDK

Базисные модели PDK

Символьная библиотека PDK

Инструменты проектирования

Фотонные микросхемы

Оптический транзистор

Фотонная ячейка памяти

Фотонные волноводы

Фотонные планарные (полосковые) волноводы

Фотонные волоконные волноводы (фибры)

Фотонные кристаллические волноводы

Фотонные поверхностно-плазмонные волноводы

Пространственные волноводные решения

Решетчатый соединитель

Многомодовый интерференционный соединитель

Конический линейный волновод

Y-ветвь

Конвертер размеров пятна

Фотонные волоконные делители

Фотонные разветвители

Фотонные мультиплексоры (MUX) и демультиплексоры (DEMUX)

Фотонные азимутальные разветвители 1xN / NxM

Фотонные кросс-соединители

Фотонные волоконные делители

Фотонные интерферометры

Фотонный интерферометр Майкельсона

Фотонный творческий интерферометр

Фотонный Мач-Цехнера интерферометр

Фотонные резонаторы

Фотонный кольцевой резонатор

Фотонные микроволновые полости

Фотонный Фабри-Перо интерферометр

Фотонные смесители

Нелинейный кристаллический смеситель

Фотонный волноводный смеситель

Фотодетекторный смеситель

Фотонные активные элементы

Фотонные модуляторы

Поляризационный вращатель

Фазовращатели

Перестраиваемые соединители 2Х2

Высокоскоростные модуляторы и фотодетекторы

Оптические переключатели

Фотонные повторители

Фотонные усилители

Технологические приемы и материалы для производства фотонных чипов

Технические методы интегральной фотоники

Материалы и технологии производства фотонных микросхем

Полупроводники

Квантовые ямы

Сверхструктуры Гратта

Матрицы кремния

Фотонные печатные платы

Фотонные чиплеты

Фоторезистивный фотонный чиплет (PRC)

Фотоэффективный фотонный чиплет (PEC)

Фотоинжекционный фотонный чиплет (PIC)

Фоторезонансный фотонный чиплет (PRC)

Материалы фотонных микросхем

Технология на основе фосфида индия (InP)

Кремний на изоляторе (SOI)

Нитрид кремния (Si3N4)

Селенид кадмия (CdSe)

Индий-арсенид галлия (InGaAs)

Индий-фосфид галлия (InPGa)

Фосфид индия (InP)

Арсенид алюминия (AlAs)

Фосфид галлия (GaP)

Программируемая интегральная фотоника

Многопортовые интерферометры

Волноводные сетки.

Квантовые вычисления и квантовая фотоника.

Квантовые источники

Фильтры с высокой селективностью

Квантовые однофотонные детекторы

Квантовая логика

Нейроморфные вычисления и искусственный интеллект

Сенсорика и Биомедицина

Направления применения фотонных микросхем.

Оптические коммуникационные системы

Оптическая интерконнектная технология.

Лазерная технология

Биомедицинская оптика

Квантовая информатика

Энергоэффективность

Вызовы, стоящие перед интегральной фотоникой и перспективы развития

Заключение

Вступление

Добро пожаловать в увлекательный мир интегральной фотоники, где свет и технология объединяются для создания невероятных возможностей. В этой книге мы отправимся в захватывающее путешествие по пространству фотонных схем, оптическим коммуникациям и передовым приложениям, которые преобразуют нашу жизнь.

В мире, где свет является не только источником освещения, но и ключевым строительным блоком для передачи информации и преобразования энергии, находится скрытый потенциал. В этой удивительной эпохе интегральной фотоники мы погружаемся в мир чудесных возможностей, где сливаются оптика и электроника в единое целое.

Свет удивлял людей с самого начала существования цивилизации. Человечество победило темноту тьму, изобретя огонь, со временем изобретя различные источники света и люди попытались управлять ими.

Оптическое волокно является одним из самых мощных носителей информации на протяжении всего существования нашей цивилизации. Впервые термин был использован Американской компанией NS Kapany в 1956г.

Термин "интегральная фотоника" относится к изготовлению и интеграции нескольких фотонных компонентов на одном кристалле. Эти компоненты – блоки, которые лежат в основе интегральных фотонных чипов, описаны в данной книге. Эти компоненты могут быть использованы в качестве строительных блоков для создания более сложных устройств, которые могут выполнять широкий спектр функций и найти широкое применение в оптических системах связи, измерительной технике, сенсорах и квантовых вычислениях. Технология объединяет принципы оптики и электроники, открывая новые возможности для передачи, обработки и хранения информации. В последние десятилетия интегральная фотоника стала неотъемлемой частью современной науки и технологий, находя применение в различных областях, от телекоммуникаций до медицины и космических исследований.

В этой книге мы рассмотрим основные технологии интегральной фотоники, показывая соответствующие аспекты материалов и технологий изготовления. Также мы кратко описываем некоторые базовые компоненты, присутствующие в интегральных фотонных устройствах. Мы приведем некоторые примеры интегральных фотонных устройств чтобы показать изящное решение, которое эта технология предлагает для разработки передовых устройств.

Эта книга – попытка ознакомить читателя с основами интегральной фотоники и рассмотреть ее потенциал для решения актуальных проблем и создания новых технологий. Мы предлагаем углубиться в мир фотоники и изучить основные концепции и методы, используемые в интегральных фотонных системах.

Независимо от того, являетесь ли вы студентом, исследователем или инженером, эта книга предлагает вам возможность погрузиться в увлекательный мир интегральной фотоники и расширить свои знания об этой захватывающей и быстроразвивающейся области. Мы надеемся, что она станет полезным ресурсом для всех, кто интересуется фотоникой и стремится применить ее в своей работе или исследованиях.

Элементарные частицы света оказываются способными переносить информацию по невидимому проводнику из стекла или других материалов. Используя разветвленные сети, волноводы и модуляторы, интегральная фотоника позволяет создавать устройства с невероятной производительностью и эффективностью.

Мы рассмотрим не только основные концепции интегральной фотоники, но также раскроем потенциал данной технологии в различных областях: от высокоскоростных коммуникаций до медицины, от квантовых вычислений до сенсорных систем, от высокопроизводительных решений до энергоэффективности.

Интегральная фотоника – это не только технология будущего, но и реальность сегодня. В этой книге вы откроете для себя потрясающие возможности этой уникальной науки.

Que votre chemin illumine le mot

Ваши Авторы

Экскурс

Фотоника наука, которая начала активно развиваться в 20-м веке. Первое революционное событие в современной оптике было, безусловно, изобретение лазера Т.Х. Мейманом в 1960 году, это открытие позволило получать когерентные источники света с исключительными свойствами, такими как высокая пространственная и временная когерентность и очень высокая яркость. Именно это прорывное изобретение открыло новую эру исследований и приложений, связанных с использованием света. Лазеры стали основой для множества новых технологий и революционизировали различные области жизни. Например, оптические волокна были одной из таких технологий, которые значительно повлияли на передачу данных.

До развития технологий интегральной фотоники существовали сложности в интеграции лазерного источника излучения и схем обработки на одном чипе. Это связано с тем, что лазерный источник излучения требует особой структуры, которая несовместима с традиционными полупроводниковыми материалами и технологиями изготовления микроэлектронных устройств.

Создание лазерного источника излучения требует использования специальных материалов и технологий, таких как эпитаксиальный рост, литография высокого разрешения и т.д. Эти процессы достаточно сложны и требуют высокой точности и чистоты. Кроме того, лазерные источники излучения имеют высокую тепловую нагрузку, что усложняет интеграцию на одном чипе с другими компонентами.

С другой стороны, схемы обработки оптического сигнала также представляют сложности в интеграции на одном чипе. Это связано с тем, что оптические схемы обработки требуют использования различных оптических компонентов, таких как световоды, модуляторы, фотодетекторы и т.д. Каждый из этих компонентов имеет свою специфическую структуру и требует особой обработки при изготовлении.

Оптоэлектронная технология как предварительное условие интегральной фотоники

Интегральная фотоника является одним из самых многообещающих направлений в сфере оптоэлектроники. Однако, перед тем как перейти к рассмотрению интегральной фотоники, необходимо обратить внимание на развитие оптоэлектронной технологии. Оптоэлектронная технология представляет собой комбинацию оптических и электронных компонентов, которые используются для создания устройств, способных генерировать, передавать и обрабатывать оптические сигналы. Оптоэлектронные компоненты, такие как лазеры, фотодетекторы и оптоволокна, являются ключевыми элементами оптоэлектронной технологии. Они обеспечивают возможность создания и передачи оптических сигналов, что является основой для разработки интегральных фотонных устройств. Без оптоэлектронной технологии, интегральная фотоника не смогла бы достичь своего полного потенциала. Применение оптоэлектронной технологии в интегральной фотонике: Интегральная фотоника представляет собой совокупность технологий, которые позволяют интегрировать оптоэлектронные компоненты на одном чипе. Это открывает новые возможности для разработки компактных и эффективных оптических устройств, таких как оптические мультиплексоры, модуляторы и фотодетекторы. Оптические мультиплексоры, например, используются для комбинирования нескольких оптических сигналов на одном волокне, что позволяет значительно увеличить пропускную способность системы передачи данных. Модуляторы, в свою очередь, позволяют изменять интенсивность или фазу оптического сигнала, что является основой для оптической коммуникации и обработки информации. Фотодетекторы, в свою очередь, используются для преобразования оптического сигнала в электрический сигнал.