Фотонные транзисторы в кремниевом исполнении

Заказать работу

Свидиненко Юрий

Большинство электронных устройств в скором времени могут стать фотонными, то есть вместо электронов, переносящих информацию будут "курсировать" лучи света - фотоны.

Большинство экспертов в области микроэлектроники предвидят именно такой сценарий развития микроэлектроники, используемой в вычислительной технике. Эта область науки развивается уже еще с 1970 года. Фотоника (так называется эта новая область устройств, использующих в качестве основного сигнала отдельные фотоны) может использоваться в таких областях, как телекоммуникации, маршрутизация Интернета, оптоволоконные сети, и, конечно, в создании "световых компьютеров".

Почему же так выгодно использовать фотонику вместо обычной электроники? Во-первых, фотонные устройства будут потреблять меньше энергии. Во-вторых, с помощью фотонных чипом можно будет оперировать большими объемами информации, и, следовательно, скорость вычислений возрастет.

Грубо говоря, в фотонном чипе лучи света заменят ток электронов по проводникам в аналогичном электронном. Вот почему фотонные чипы экономичнее электронных: фотоника гораздо меньше отдает тепла в окружающую среду, и, следовательно, меньше потребляет энергии для работы.

На сегодняшний день существует ряд прототипов нанофотонных устройств. Однако существует проблема: фотонные устройства надо органично "вписать" в море современной электроники. И для этого необходимо сконструировать устройство, которое обеспечивало бы взаимодействие между фотонными и электронными чипами.

Такое устройство можно назвать "фотонным транзистором" или "фотонным ключом". Его функция - пропускать световые волны при наличии соответствующего сигнала и не пропускать, если сигнала разрешения нет.

В Корнелльском университете, США, исследователям удалось приблизиться к решению этой проблемы. Они смогли создать устройство, которое переводит электрический сигнал в модулируемый световой луч в наноразмерном диапазоне. При этом размеры фотонного устройства позволяют использовать его в маршрутизаторах, оптоволоконных сетях и микропроцессорах.

Такие устройства удавалоь делать и ранее, но они были размерами около нескольких миллиметров. Естественно, что связывать чип миллиметровых размеров с современнными микросхемами по 90-нм техпроцессу было бы неэффективно. А ученые из Корнелла смогли сделать такой же чип размерами несколько микрон. А такое устройство уже можно интегрировать с современными микросхемами.

Удалось это сделать благодаря использованию арсенида галлия. Этот полупроводник легко можно интегрировать в полупроводниковые устройства, и он, в основном, применяется в современной микроэлектронике.

Рис. 1. Принцип действия фотонного ключа

О работе ученые сообщили в майском выпуске журнала Nature. Руководил исследованиями ученый из Корнелльского университета Майкл Липсон.

В основу нанофотонного модулятора лег кольцевой резонатор, который отстоит от прямого светового волновода на 200 нанометров (см. рис. 1). Свет, проходящий через прямой отрезок волновода, множество раз огибает кольцевой резонатор. Явление это широко известно и используется в фотонных устройствах. Причем от диаметра кольца напрямую зависит длина волны светового пучка на выходе из резонатора. Ученые использовали диаметры 10 и 12 микрон и получили свет с длиной волны 1555 нм и 1576 нм соответственно. Свет с такой длиной волны лежит в инфракрасном диапазоне длин волн.

Теперь расскажем о механизме о модуляции света электроникой. Кольцо-модулятор расположено на на поверхности из отрицательно допированного кремния, а внутри кольца - область с положительным допированием (см. рис. 1). Поэтому волновод представляет собой зону раздела между p и n областями p-n диода, образованного структурой волноводов и полупроводников.

Как только на микросистему подают напряжение, электроны и дырки поступают в область волновода, изменяя его оптический коэффициент преломления. Соответственно, у волновода изменяется резонансная частота света, который он может пропускать. Таким образом, напряжение "запирает" свет, проходящий через прямой отрезок волновода.

Рис. 2. Микрофотография фотонного чипа

Ранее ученые использовали похожий принцип диода в фотонике для того, чтобы модулировать свет в прямых участках волновода. И это удавалось только тогда, когда свет проходил сравнительно большое расстояние по волноводу. Соответственно, для работы устройства нужен волновод большей длины и чип будет уже макроскопических размеров. А ученые из Корнелла заставили бежать свет по кругу в резонансном кольце, тем самым удлиннив его путь.

В тестах ученые подавали на устройство 0.3 вольта и этого хватало, чтобы прекратить распространение света по волноводу. Затем исследователи протестировали устройство на частоту включений. Результаты оказались довольно оптимистичными: с помощью кольца-резонатора ученые пропустили через фотонный транзистор 1.5 гигабита в секунду информации. Грубо говоря, они пропустили серию логических 0 и 1 (что соответствует битам информации). Модулирование света позволило пропустить серию 0 и 1 за столь короткое время. А процесс передачи одного бита занимал несколько десятых пикосекунды.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.nanonewsnet.ru/

Другие материалы

  • Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа
  • ... Ленточный график работ   5. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда Дипломная работа посвящена анализу погрешностей волоконно-оптического гироскопа. В ходе ее выполнения были проведены необходимые расчеты и сделаны выводы, которые могут ...

  • Внутренний фотоэффект
  • ... излучение, приводящее к разогреву полупроводника, с точки зрения задач оптоэлектроники теряется бесполезно.[2] 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.1 Фотоэлектрические преобразователи Фотоэлектрические преобразователи по основному своему назначению ...

  • Оптроны и их применение
  • ... другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона. 1.4 Применение. В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для ...

  • Сканеры: виды, устройство, принципы работы
  • ... , телефакс и сканер... - всё это тоже стало возможным и доступным благодаря ПЗС. 4.1 Устройство ПЗС-датчика Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям функциональной электроники, то есть их нельзя представить как совокупность транзисторов или же конденсаторов. Сам же принцип зарядовой ...

  • Полупроводниковые приборы
  • ... По сравнению с радиоэлектронной аппаратурой первого поколения (на электронных лампах) аналогичная по назначению радиоэлектронная аппаратура второго поколения (на полупроводниковых приборах, в том числе на Т.) имеет в десятки и сотни раз меньшие габариты и массу, более высокую надёжность и потребляет ...

  • Оптоволоконные линии связи
  • ... матрицы лазеров, работающих на дли­нах волн l1, ... ln. должно быть объеди­нено в один канал для ввода в волокон­ный световод оптической линии связи. Это может быть осуществлено путем использования матрицы из Y-соединителей. путем соединения излучения лазеров с помощью ВСМ. объединения усилите­лей ...

  • Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи
  • ... ввода излучения в волокно (рис. 10) может дать выигрыш по мощности до 10 дБ. Объединение элементов в систему. Волоконно-оптическая связь с момента своего появления основывается на принципах передачи цифровой информации. Это обусловлено тремя основными причинами. Во-первых, появление ВОЛС ...

  • Разработка радиоприемника
  • ... dкон = 1/100=0,01. Определяем коэффициент включения контура m1 по формуле , (21) где Rвх – входное сопротивление транзистора 1 каскада радиоприемника; rmax – характеристическое сопротивление контура; dэп и dкон – затухание контура. ________________________ m1=Ö(0,088–0,01)× ...

  • Машинная память
  • ... "переполнения". По быстродействию (скорости записи и воспроизведения информации) машинная память значительно превосходит память человека. Скорость срабатывания элементов, на основе которых строятся современные ЗУ, определяется в конечном счете скоростью протекания электронных процессов, ...

  • Полупроводниковые диоды
  • ... стабилизации, где DUст – отклонение напряжения Uст от номинального значения Uст ном при изменении температуры в интервале DТ. Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости Сзар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять ...

  • Применение углеродных нанотрубок в энергетике
  • ... в структурах трубок, то есть, образованию необходимых дефектов. Катализирующие свойства батарей при этом выросли в десятки раз. Применение углеродных нанотрубок призвано решить ряд принципиальных проблем солнечных батарей на основе сенсибилизированных красителей. Во-первых, новая конструкция ...

  • Кандидатский по философии
  • ... как инобытия "абсолютной идеи", "ока­меневший дух" (природа представляет собой внешнюю реальность "абсолютной идеи", ее проявление; философия природы как наука об идее инобытия).              Развитие общества ...

Каталог учебных материалов

Свежие работы в разделе

Наша кнопка

Разместить ссылку на наш сайт можно воспользовавшись следующим кодом:

Контакты

Если у вас возникли какие либо вопросы, обращайтесь на email администратора: admin@kazreferat.info