Доклад : Фотонные транзисторы в кремниевом исполнении 


Полнотекстовый поиск по базе:

Главная >> Доклад >> Промышленность, производство


Фотонные транзисторы в кремниевом исполнении




Фотонные транзисторы в кремниевом исполнении

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/

Похожие работы:

  • Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа

    Реферат >> Радиоэлектроника
    ... излучения. Среднеквадратическое значение числа фотонов пуассоновского распределения равно квадратному ... смещения 10МОм, два кремниевых биполярных транзистора с граничной частотой около ... зависимостью, проще в конструктивном исполнении и являются очень надежными ...
  • Сканеры: виды, устройство, принципы работы

    Курсовая работа >> Информатика, программирование
    ... повысить эффективность сбора фотонов, используется микрорастр ... обратные токи в других кремниевых приборах) определяется двустадийной ... и тепловой шум канала транзисторов, имеющий равномерный (белый ... размерам или полиграфическому исполнению) потоком документов ...
  • Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью

    Дипломная работа >> Коммуникации и связь
    ... волны для кремниевых фотодиодов Как ... показывающая эффективность преобразования фотон-электрон равная для ... p-i-n фотодетектором и полевым транзистором на входе можно определить ... выполняться в разном конструктивном исполнении. Оборудование в стандартной ...
  • Оптроны и их применение

    Реферат >> Физика
    ... использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. ... второго признака принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику применения ... регулирующим элементом является биполярный транзистор, а кремниевый стабилитрон действует как ...
  • Полупроводниковые приборы

    Реферат >> Коммуникации и связь
    ... фотоны ... конструктивному исполнению Т. ... эпитаксиальные кремниевые ... транзистор, Импульсный транзистор, Конверсионный транзистор, Лавинный транзистор. Полевой транзистор Полевые транзисторы (схематическое изображение): Полевой транзистор это канальный транзистор ...
  • Оптоволоконные линии связи

    Реферат >> Информатика, программирование
    ... оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для ... разработке средств проекти­рования сложных фотонных интеграль­ных цепей. Для ... Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен для применения ...
  • Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи

    Учебное пособие >> Коммуникации и связь
    ... диапазона= 0,8... 0,9 мкм это кремниевые фотодиоды, для диапазона= 1,3... ... в интегрально-оптическом исполнении. Субнаносекундные скорости ... ЛФД и полевые транзисторы;. 4 — ЛФД н биполярные транзисторы Поскольку он ... виде экситонной и фотонной генерации. Весь ...
  • Разработка радиоприемника

    Курсовая работа >> Коммуникации и связь
    ... теллура, который непосредственно преобразует фотоны рентгеновского излучения в электрический сигнал ... на основе аморфных кремниевых фотодиодов, МОП-транзисторов или ПЗС носители ... образом оптимизировать качество их исполнения. Очевидно, мозаичный экран, ...
  • Машинная память

    Дипломная работа >> Информатика, программирование
    ... часто транзистор сочетают с диодом Шотки. Диод Шотки в интегральном исполнении представляет ... же связь, осуществляемая с помощью фотонов, может быть реализована между участками ... на один уровень с полупроводниковой (кремниевой), до последнего времени добиться ...
  • Полупроводниковые диоды

    Учебное пособие >> Коммуникации и связь
    ... ) Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от – ... 7 – фотодиод: 8 – биполярный транзистор p-n р-типа; 9 – биполярный транзистор n p-n типа. Таблица 1.2 Признак ... материал Германиевый Кремниевый Арсенид ... квантов света (фотонов) свободных носителей ...