Einführung Silicon Photonics

Lars.Zimmermann@tu-berlin.de
Silicon Photonics – Kapitel 1
Einführung
Silicon Photonics
Silicon Photonics – Kapitel 1
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Photonics in modern life
Information &
Industrial
Life
Metrology Lighting
Communication Manufacture Sciences & Sensing Display
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Silicon Photonics – Kapitel 1
Silicon photonics
Silicon
Photonics
Photonics
Electronics
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Evolution of microelectronics
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Silicon
Photonics
Silicon
Photonics
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Costs are
driving
Trend 1 Photonische Integration
(aus: M. Paniccia, Integrated Photonics)
Technology vs Distance
Silicon Photonics – Kapitel 1
Trend 1 Photonische Integration
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Performance
is driving
(aus: M. Paniccia, Integrated Photonics)
Prognostics: Optical vs electrical
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Trend 1 Photonische Integration
Performance
Kosten
• Steigerung Gewinn
• zusätzliche Funktionalität
• klassischer Kommunikationsmarkt
Massenmarkt für Photonik?
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Integrated photonics
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Trend 2 - IC-Technology
Exponential Growth
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(Source: Intel)
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Trend 2 - IC-Technology
• unsurpassed complexity
• unsurpassed functionality
• unsurpassed ubiquitious
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Trend 2 – On chip interconnects
→ Hierarchische Skalierung
(aus: Technology Roadmap 2005)
CPU-Querschnitt
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CPU Hotspots!
(aus: Z. Gaburro, Optical Interconnect)
Physikalische Limits im Interconnect!
→ Licht auf den IC
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Silicon photonics - jobs
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Waveguiding on silicon
ncladding
ncore
Basic principle –
total internal reflection
Δn = ncore − ncladding > 0
Silicon on insulator (SOI) waveguides
Si
SiO2
Si
SiO2
SiO2
Nanowires
200-400 nm SOI
1.4 µm SOI
Rib waveguides
4 µm SOI
Rib waveguides
transparency condition: λ > 1.1µm
typical: λ = 1.3 / 1.5 µm
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Wellenleitertechnologie
(nach: M. Lipson, Guiding, Modulating ,&
Emitting Light on Silicon)
Entwicklung
E-beam litho
Cladding
Ätzen
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Passive Bauelemente
Interferometer
Koppler
X
II
Mach-Zehnder-InterferometerStruktur
-5
• Self-Imaging
• Balance, Excess Loss
• Toleranzen
• Doppelbrechung
signal [dB]
1x4 Multi-Moden-Koppler
-10
Filterkurve
-15
-20
-25
TE
1530.5 1531.0 1531.5 1532.0 1532.5 1533.0
wavelength [nm]
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Gitterstrukturen
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(aus: M. Lipson, Guiding, Modulating ,&
Emitting Light on Silicon)
Bragg WL-Gitter
Einkoppelgitter
(aus: G. Roelkens et al. , Efficient SOI
Fiber Couplers)
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Photonische Kristalle – Slow Light
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(aus: P. Viktorovitch, ePIXnet Winter
School 2006)
Lokaler Defekt
• Photonic band gap confinement
• Hohe Barriere
• Langes Trapping der Moden
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Modulatoren
(aus: A. Liu et al., High-speed optical modulation.., OE, 2007)
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Detektormaterial
Transparentes Substrat
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Detektoren im CMOS-Prozess
(aus: C. Gunn, CMOS Photonics for
High-Speed Interconnects)
• Technologische Herausforderung
• Integrationskonzepte
• Performance
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Lasing
Begrenzende
Mechanismen in
Silizium
Indirekte Bandlücke:
• niedrige Wahrscheinlichkeit
strahlender Übergänge
• Dominanz nichtstrahlender
Rekombination
• interne Quanteneffizienz ~ 10-6
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Band-structure engineering – Bandfaltung
Faltung der Brillouin-Zone an
Übergittern
• Gitterkonstante Lage = a
• Übergitterperiode d = 5a/2
Zusätzliche Periodizität in Wachstumsrichtung
Resultat
• Kleinere neue Brillouin-Zone in
Wachstumsrichtung
• Direkte Bandlücke
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Silicon Photonics – Kapitel 1
Raman-Laser
Stokes‘ peak
Raman-Spektrum von Silizium
(down)
Stimulierte Raman-Streuung
hωpump = hωsignal + hωphonon
(2-Niveau-System)
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Silicon Photonics – Kapitel 1
Hybrid integrierte Laser – optisch gepumpt
Simulation
Bauelement
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Silicon Photonics – Kapitel 1
Silicon photonics - jobs
Photonics
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Silicon Photonics – Kapitel 1
Das Interconnect-Problem – Delay
Totaler Delay setzt sich zusammen aus:
Interconnect + Gate Delay
Interconnect, Länge L,
mit Repeatern
(Quelle: Banerjee)
Ersatzschaltbild
RC-Delay des Interconnects
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Konzeptionelle Analyse – Optical Signaling & Clock
Signaling - Kommunikation zwischen verschiedenen logischen Einheiten
Prinzipielle
Schaltung
Was muss opt. Interconnect leisten können?
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Themenkomplexe der Vorlesung Silicon Photonics
1. Physikalische Grundlagen
• Dielektrische Wellenleiter
• Optische Eigenschaften des Siliziums
2. Integrierte Optik auf Silizium
• WL-Technologie
• Bauelemente
3. Quellen, Detektoren, Modulatoren
4. Licht und CMOS-Elektronik
• Architektur
• Technologie
• Analyse
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Siliziumphotonik an der TU Berlin
• Integration mit Elektronik
• Quantensprung in der Technologie
Silicon
Photonics Photonics
Electronics
+
=
Gründung 2008
Enge Kooperation seit 2007
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IHP Frankfurt (Oder)
• Founded 1983
”Institut für Halbleiterphysik” of the
Academy of Science
• 200mm pilot line
• 1000m2 cleanroom
• 0.13µm SiGe BiCMOS
• Prototyping shuttle service (multiproject wafers) via IHP or
EUROPRACTICE
• professional design kit
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Organisatorisches
• Lehrveranstaltung zur Prüfung zugelassen
• Kontakt: lars.zimmermann@tu-berlin.de
• Aktuelle Neuigkeiten (z.B. terminlich) via E-Mail
• AB NÄCHSTE WOCHE im Raum E104
• möglich 14:15 – 15:45 Uhr
• oder 16:15 – 17:45 Uhr
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