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Einführung Silicon Photonics
[email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Einführung Silicon Photonics Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Photonics in modern life Information & Industrial Life Metrology Lighting Communication Manufacture Sciences & Sensing Display 2 1 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Silicon photonics Silicon Photonics Photonics Electronics 3 Silicon Photonics – Kapitel 1 Evolution of microelectronics [email protected] Silicon Photonics Silicon Photonics 4 2 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Costs are driving Trend 1 Photonische Integration (aus: M. Paniccia, Integrated Photonics) Technology vs Distance Silicon Photonics – Kapitel 1 Trend 1 Photonische Integration 5 [email protected] Performance is driving (aus: M. Paniccia, Integrated Photonics) Prognostics: Optical vs electrical 6 3 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Trend 1 Photonische Integration Performance Kosten • Steigerung Gewinn • zusätzliche Funktionalität • klassischer Kommunikationsmarkt Massenmarkt für Photonik? 7 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Integrated photonics 8 4 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Trend 2 - IC-Technology Exponential Growth Silicon Photonics – Kapitel 1 (Source: Intel) 9 [email protected] Trend 2 - IC-Technology • unsurpassed complexity • unsurpassed functionality • unsurpassed ubiquitious 10 5 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Trend 2 – On chip interconnects → Hierarchische Skalierung (aus: Technology Roadmap 2005) CPU-Querschnitt Silicon Photonics – Kapitel 1 11 [email protected] CPU Hotspots! (aus: Z. Gaburro, Optical Interconnect) Physikalische Limits im Interconnect! → Licht auf den IC 12 6 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Silicon photonics - jobs 13 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 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 14 7 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Wellenleitertechnologie (nach: M. Lipson, Guiding, Modulating ,& Emitting Light on Silicon) Entwicklung E-beam litho Cladding Ätzen 15 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 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] 16 8 Silicon Photonics – Kapitel 1 Gitterstrukturen [email protected] (aus: M. Lipson, Guiding, Modulating ,& Emitting Light on Silicon) Bragg WL-Gitter Einkoppelgitter (aus: G. Roelkens et al. , Efficient SOI Fiber Couplers) 17 Silicon Photonics – Kapitel 1 Photonische Kristalle – Slow Light [email protected] (aus: P. Viktorovitch, ePIXnet Winter School 2006) Lokaler Defekt • Photonic band gap confinement • Hohe Barriere • Langes Trapping der Moden 18 9 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Silicon photonics - jobs 19 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Modulatoren (aus: A. Liu et al., High-speed optical modulation.., OE, 2007) 20 10 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Silicon photonics - jobs 21 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Detektormaterial Transparentes Substrat 22 11 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Detektoren im CMOS-Prozess (aus: C. Gunn, CMOS Photonics for High-Speed Interconnects) • Technologische Herausforderung • Integrationskonzepte • Performance 23 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Silicon photonics - jobs 24 12 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Lasing Begrenzende Mechanismen in Silizium Indirekte Bandlücke: • niedrige Wahrscheinlichkeit strahlender Übergänge • Dominanz nichtstrahlender Rekombination • interne Quanteneffizienz ~ 10-6 25 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] 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 26 13 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Raman-Laser Stokes‘ peak Raman-Spektrum von Silizium (down) Stimulierte Raman-Streuung hωpump = hωsignal + hωphonon (2-Niveau-System) 27 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Hybrid integrierte Laser – optisch gepumpt Simulation Bauelement 28 14 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Silicon photonics - jobs Photonics 29 [email protected] 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 30 15 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Konzeptionelle Analyse – Optical Signaling & Clock Signaling - Kommunikation zwischen verschiedenen logischen Einheiten Prinzipielle Schaltung Was muss opt. Interconnect leisten können? 31 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] 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 32 16 [email protected] Silicon Photonics – Kapitel 1 Siliziumphotonik an der TU Berlin • Integration mit Elektronik • Quantensprung in der Technologie Silicon Photonics Photonics Electronics + = Gründung 2008 Enge Kooperation seit 2007 33 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] 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 34 17 Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected] Organisatorisches • Lehrveranstaltung zur Prüfung zugelassen • Kontakt: [email protected] • 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 35 18
