Переосмысление конструкции фотонных чипов может сократить потребление энергии в центрах обработки данных

May 25, 2023

Фотонные интегральные схемы, или PIC, — это устройства, которые позволяют генерировать, передавать и обрабатывать данные с использованием легких частиц, а не электронов. Хотя PIC все еще являются экспериментальными для использования в альтернативных вычислениях, они уже давно стали основой телекоммуникаций, обеспечивая функциональность современных высокоскоростных оптоволоконных линий.

Благодаря традиционным методам производства полупроводников кремний стал основной платформой при разработке этих типов микросхем, что позволяет инженерам использовать существующие мощности по производству электроники для их проектирования и массового производства.

Хотя PIC гораздо более эффективны и предлагают значительно более высокую пропускную способность по сравнению с электронными методами связи, все еще есть возможности для совершенствования, поскольку кремниевые фотонные чипы требуют много энергии для регулирования температуры, чтобы поддерживать высокую производительность передачи данных.

В этой статье мы обсудим прорыв в эффективности фотонных интегральных схем, ставший результатом совместных исследований инженеров и ученых из Университета штата Орегон и Университета Бэйлора, которые намерены сократить потребление электроэнергии в центрах обработки данных.

Чтобы передать несколько световых частот через одну и ту же фотонную среду и обеспечить одновременную передачу различных сигналов с использованием одного оптического волокна, инженеры разработали метод, называемый мультиплексированием с разделением по длине волны (WDM), при котором пропускная способность канала данных этой технологии может быть увеличена. при этом не препятствуя чрезвычайно высокой скорости передачи данных.

В фотонных интегральных схемах структуры, используемые для выполнения WDM, называются кремниевыми микрокольцевыми резонаторами или Si-MRR, которые действуют как оптические волноводы, зацикливаясь на самих себе таким образом, что резонанс возникает каждый раз, когда длина оптического пути сингулярного резонатора измеряет ровно целое число длин волн.

Изготовив эти типы кольцевых резонаторов с использованием кремния, WDM можно реализовать в чрезвычайно малых масштабах и как часть систем со сверхнизким энергопотреблением. Однако одной из основных проблем в технологии Si-MRR является резонансная чувствительность к длине волны из-за колебаний температуры и изменений производственного процесса.

До сих пор эти устройства осуществляли точное управление длиной волны путем введения свободных носителей с использованием PIN-диодов и термонагревателей, что требовало значительного количества электрической энергии.

Теперь исследователи из штата Орегон и Бэйлора представили новый метод снижения потребности в энергии для контроля температуры более чем в один миллион раз.

Еще в марте группа, возглавляемая профессором Университета Бэйлора Аланом Вангом, опубликовала результаты экспериментов с Si-MRR, управляемыми затвором, для разработки высокоэффективных фотонных интегральных схем.

Решая температурные проблемы этой технологии, команда профессора Ванга разработала специализированный тип независимо настраиваемого встроенного WDM-фильтра, в котором используется массив из четырех Si-MMR с оксидом индия и олова (ITiO), оксидом гафния (IV) (HfO2) и кремнием. изготовленные металлооксидно-полупроводниковые (МОП) конденсаторы.

МОП-соединение, используемое в этом исследовании, представляет собой так называемый прозрачный проводящий оксид с высокой подвижностью (TCO), который, в отличие от PN-переходов, демонстрирует гораздо большую электрооптическую эффективность. Именно это эффективно обеспечивает энергосберегающие характеристики этого прорыва, поскольку при использовании материалов TCO можно достичь большого диапазона настройки длины волны за счет низкого напряжения на затворе и незначительного энергопотребления.

По словам профессора Джона Конли из Инженерного колледжа штата Орегон, благодаря его знаниям в области атомно-слоевого осаждения и электронных устройств, а также опыту профессора Ванга в фотонике, их команда смогла создать рабочий прототип PIC, температура которого контролируется с помощью напряжения на затворе, что позволяет практически не используется электрический ток.