Silikon fotonikasi hozirgi holati va rivojlanish istiqbollari. Silikon fotonikasi: laboratoriyadan ishlab chiqarishgacha

IBM kremniy fotonikasi sohasidagi yutuqni e'lon qildi - birinchi to'liq integratsiyalangan multiplekslangan chip yaratildi. Yangi qurilma alohida chiplarga elektromagnit to‘lqinlar emas, balki optik to‘lqinlar yordamida bir-biri bilan aloqa o‘rnatish imkonini beradi, bu esa o‘tkazish qobiliyatini sekundiga 100 Gb va undan ham ko‘proq oshiradi. Ushbu chip bitta kremniy qolipga joylashtirilgan va mikro miqyosli optik texnologiyalarni uzoq muddatda qo'llash uchun juda muhimdir. Ammo nega IBM va Intel kabi kuchli kompaniyalar kremniy fotonikasini o'rganishga butun o'n yilliklarini sarfladilar?

Nazariy jihatdan, silikon fotonikasi mis konnektorlaridan doimiy foydalanish bilan bog'liq ko'plab asosiy muammolarni hal qilishi mumkin. Mis sim bilan bog'liq asosiy muammolardan biri shundaki, uni zamonaviy protsessorning boshqa muhim qismlari kabi agressiv tarzda o'lchab bo'lmaydi. Muayyan nuqtadan tashqari, mis simni uning ishlashi va / yoki saqlash muddatini buzmasdan qisqartirish jismonan mumkin emas. Nazariy jihatdan, optik ulanishlar kamroq quvvat sarflagan holda ma'lumotlarni tezroq uzatishi mumkin. Bundan tashqari, ko'pgina kompaniyalar kremniy fotonikasi taxminan bitta katta hajmdagi hisoblash quvvatiga ega superkompyuterlarni yaratish uchun zarur deb hisoblaydi.

Afsuski, kremniy optik qurilmalar uchun yomon muhit hisoblanadi, chunki ishlab chiqarish shkalalari juda xilma-xildir (optik to'lqin o'tkazgichlar va boshqa komponentlar CMOS kremniyiga qaraganda ancha katta), shuning uchun optik elementlarni kremniydan foydalangan holda mavjud CMOS-ga samarali va arzon tarzda birlashtira oladigan muhandislik echimlari mavjud emas. galyum arsenid kabi qimmat muqobil materiallar. Endi kompaniya kremniy fotonik texnologiyasidan foydalangan holda yaratilgan chiplarni bevosita protsessor moduliga joylashtirishga muvaffaq bo'ldi.

Intel kompaniyasining kremniy fotonikasi bo'yicha taqdimotidagi grafik ishlab chiqaruvchilar erishmoqchi bo'lgan energiya sarfini ham ko'rsatadi. Silikon fotonikasi uchun uzoq muddatli rejalar mis ulanishlari mumkin bo'lmagan ma'lumotlarning har bir bitiga tarmoqli kengligi va energiya taklif qiladi.
O'nlab yillar davomida ishlagandan so'ng, kremniy fotonikasi qog'ozda yaxshi ko'rinadigan, ammo amalda mutlaqo qo'llanilmaydigan yana bir aqldan ozgan g'oya bo'lib tuyulishi mumkin, ammo taraqqiyot hali ham to'xtamaydi va IBM, Intel yoki HP kabi ilg'or kompaniyalar buni chiqarmasligi mumkin. texnologiya yaqin kelajakda tijorat darajasiga ko'tarilgan bo'lsa, u, albatta, ilmiy laboratoriyalarda, superkompyuterlarda va ma'lumotlar markazlarida ilovalarni topadi.

Bir kun kelib, kremniy fotonikasi yordamida butun ulkan ma'lumotlar markazini bitta giper o'lchovli kompyuterga aylantirish mumkin va agar sun'iy intellekt sohasida o'sha vaqtga qadar erishilgan muvaffaqiyatlarni hisobga olsak, nimanidir tasavvur qilish qiyin emas. Stanislav Lem tomonidan tasvirlangan Solarisdagi okean kabi. Shu bilan birga, hozirgi serverlar va ma'lumotlar markazlari SATA va USB paydo bo'lishidan oldingi holatida shaxsiy kompyuterlarga o'xshaydi: ichkarida noqulay lenta kabellari, tashqarida sichqoncha, klaviatura va dinamiklar uchun ketma-ket va parallel portlar mavjud. Ammo 2025 yilda allaqachon rasm boshqacha bo'ladi: hamma narsa birlashtiriladi va optik tolalar orqali ulanadi, bu bir qator vazifalarga, xususan, masshtablash va yuqori unumdorlikka ega bo'lgan hisoblashlarga sifat jihatidan boshqacha yondashuvni ta'minlaydi. Va bularning barchasi silikon fotonikasidagi yutuqlar tufayli mumkin bo'ladi.

Silikon fotonikasi - bu ikki guruh texnologiyalar - elektronika va optikaning sinergiyasi bo'lib, bu ma'lumotlar uzatish tizimini millimetrdan minglab kilometrgacha bo'lgan masofalarda tubdan o'zgartirish imkonini beradi. Ahamiyatiga ko'ra, kremniy fotonikasining joriy etilishi natijasi yarim o'tkazgichlar ixtirosi bilan taqqoslanadi, chunki uni amalga oshirish axborot-kommunikatsiya texnologiyalarini rivojlantirish uchun asos bo'lgan Mur qonunining ta'sirini uzoq yillar davomida saqlab qolish imkonini beradi. .

Ushbu sohaning asosiy tamoyillari bilan qiziquvchilar uchun biz nashr etilgan "Kremniy fotonikasi: keyingi axborot inqilobini yonilg'i" (Daryl Inniss, Roy Rubenstein "Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution") ilmiy-ommabop kitobini tavsiya qilishimiz mumkin. 2017 yil. Kremniy fotonikasiga jiddiyroq kirishlar bir guruh mualliflarning "Silicon Photonics III: Systems and Applications" kitobi va "Silicon Photonics: An Introduction" (Graham T. Reed, Andrew P. Knights). Mellanox veb-saytida ushbu mavzu bo'yicha foydali materiallar ham mavjud.

U qanday ishlaydi

Agar biz o'zimizni hisoblash uchun amaliy qo'llanmalar bilan cheklasak, elektronikada bo'lgani kabi, optika va qattiq jism fizikasini ham chetga surib qo'yish mumkin. Tizim darajasida tushunish uchun mavzu haqida eng yuzaki ma'lumotlar etarli. Ko'rinishidan, hamma narsa aniq: elektr signallarining ketma-ketligi transmitter T tomonidan optik signallar ketma-ketligiga aylantiriladi. U kabel bo'ylab qabul qiluvchi R ga boradi, bu ularni elektr shakliga qaytaradi. Yorug'lik manbalari sifatida bir nechta turdagi lazerlardan foydalanish mumkin va uzatish uchun bitta yoki multimodal kabellardan foydalanish mumkin.

Ammo kremniy fotonikasi tamoyillarini amalga oshirishda yuzaga keladigan muammolarning ilmiy va muhandislik murakkabligini unutmasligimiz kerak. Buni shu yo‘nalishdagi birinchi eksperimental ishlar XX asrning 80-yillari o‘rtalariga to‘g‘ri kelganligi, tijoratni rivojlantirishga urinishlar 2000-yillarning boshlarida amalga oshirilganligi va birinchi tijorat natijalari faqat 2016 yildan keyin olinganligi bilan baholanishi mumkin. Qirq yil... Optik tolali kommunikatsiyalardan amaliy foydalanish 60-yillarning o‘rtalarida boshlangan bo‘lsa-da, eksperimental ishlar esa ancha oldinroq boshlangan.

Kremniy asosidagi materiallar bilan bog'liq muammoning mohiyati ularning optik tolali optikada ishlatiladigan bir xil chastotalarda ishlay olmasligi va muqobil materiallardan foydalanish iqtisodiy sabablarga ko'ra amalda imkonsizdir. Mavjud yarimo'tkazgichlarni ishlab chiqarish texnologiyalariga katta sarmoyalar kiritildi. Kremniy fotonikasi tamoyillarini amalga oshirish uchun ularni mavjud texnologiyalarga moslashtirish kerak. Mikrosxemalarga miniatyura qabul qiluvchilar va transmitterlarni kiritish va ular orasiga mos keladigan to'lqin o'tkazgichlarni joylashtirish yechim bo'lishi mumkin. Bu eng qiyin muhandislik-texnik vazifa bo'lib, 2017 yildan boshlab hal qilingan.

Intel buni boshqalardan oldin uddaladi - korporatsiya allaqachon o'z mahsulotlarini bozorga taklif qildi. Tez orada IBM, undan keyin Mellanox, Broadcom, Ciena, Juniper va boshqa bir qator yirik kompaniyalar e'lonlarini kutishimiz kerak. Shu bilan birga, muvaffaqiyatga erishgan startaplar sotib olinmoqda. Jarayon boshlandi, lekin tez emas. Qiyinchiliklar yangi mahsulotlarni yaratish katta mablag' va vaqtni talab qilishi bilan bog'liq, bu esa eng yirik sotuvchilarga afzallik beradi.

Muloqotning to'rt darajasi

Silikon fotonika texnologiyalari allaqachon 100 Gbit chekilgan va yaqin kelajakda 400 Gbit va 1 Tbit yaratish imkonini beradi. Bunday ma'lumotlar almashinuvi kurslari zamonaviy arxitekturalarning sifat jihatidan yangilariga - RSA (Rack-Scale Architecture) rack darajasida va ESSA (Extended-scale system architected) ma'lumotlar markazi darajasida birlashishi uchun imkoniyatlar ochadi. Birinchisining chegarasi pod deb ataladigan (bir yoki bir nechta raftlar) bilan cheklangan, ikkinchisi butun ma'lumotlar markazini qamrab oladi. Ushbu infratuzilmalarning komponentlari masofadan PCIe avtobusi orqali aloqa qiladi (masofadagi PCIe-avtobus o'zaro bog'lanadi).

Silikon fotonikasi yordamida 4 darajaga bo'lingan ierarxik aloqa tizimi yaratiladi:

1-darajali "Chip": Silikon fotonik texnologiyalarni chip ichida amalga oshirish bir necha sabablarga ko'ra qiziqarli:

• Raklardan ko'ra ko'proq chiplar mavjud, shuning uchun qabul qiluvchilar va transmitterlarga ehtiyoj katta va bu texnologiyalar tez rivojlanadi.
• Chipdan tashqari aloqa tezligi sezilarli darajada oshadi, shuning uchun tizimni loyihalash tamoyillari sezilarli darajada o'zgarishi mumkin.
• Uzoq muddatda, optik aloqalarni chip komponentlari o'rtasida, masalan, yadrolar o'rtasida almashish uchun foydalanish mumkinligini tasavvur qilish mumkin. Ammo bunday qisqa masofalarda mis uzoq vaqt davomida o'z pozitsiyasini saqlab qoladi.

O'tgan 2007 yil ko'plab Intel texnologiyalarini, shu jumladan kremniy fotonikasi sohasida rivojlanishi uchun juda muvaffaqiyatli bo'ldi. MIT Technology Review jurnali Intelning ushbu sohadagi so'nggi yutuqlarini poygalardagi uch karra g'alaba bilan taqqosladi - yetakchi nashr kuzatuvchilari korporatsiyaning bir qator rasmiy e'lonlarini shunday baholashdi.

Intel korporativ texnologiyalar guruhi rahbari va bosh texnologiya direktori Jastin Rattnerning so‘zlariga ko‘ra, “Biz CMOS kremniy dizayniga mos ishlab chiqarish texnologiyalari yarimo‘tkazgichli optik qurilmalarni yaratish imkonini berishini empirik tarzda isbotladik. Bu haqiqatni isbotlash juda katta yutuq edi, ammo ushbu texnologik yo'nalishni yanada rivojlantirish uchun muhim qadamlar kerak emas. Endi biz silikon fotonik qurilmalarni standart kompyuter komponentlariga qanday integratsiya qilishni o'rganishimiz kerak; Buni qanday qilishni hali ham bilmaymiz. Shu bilan birga, biz ishlab chiqaruvchilarga Intel yechimlarida yarimo‘tkazgichli fotonikadan foydalanish modellarini taklif qilish uchun turli turdagi mahsulotlarni ishlab chiqish bilan shug‘ullanuvchi bo‘linmalar bilan faol ishlashda davom etamiz”.

Intel tadqiqotchilari yuqori sifatli uzluksiz lazer nurlarini ishlab chiqarishga qodir bo‘lgan dunyodagi birinchi yarimo‘tkazgichli chipni ishlab chiqdilar. Sakkizta lazer bitta silikon chipga birlashtirilgan.

Silikon fotonikasi tera hisoblash davriga boradigan yo'lda to'siqlarni bartaraf etish vositasi sifatida

Silikon fotonikasi Korporativ Texnologiyalar Guruhining tera hisoblashlariga o'tishni tezlashtirishga qaratilgan uzoq muddatli rivojlanish strategiyasining muhim tarkibiy qismidir. Gap shundaki, ulkan hisoblash quvvatiga ega bo‘lgan ko‘p yadroli protsessorlar rivojlanishi bilan muhandislar uchun yangi muammolar paydo bo‘ladi. Masalan, xotira va protsessor o'rtasidagi aloqa tezligiga bo'lgan talab tez orada mis o'tkazgichlar tomonidan qo'yilgan jismoniy cheklovlardan oshib ketadi va elektr signallarini uzatish tezligi protsessor tezligidan sekinroq bo'ladi. Zotan, kuchli hisoblash tizimlarining ishlashi ko'pincha protsessor va xotira o'rtasida ma'lumot almashish tezligi bilan cheklanadi. Bugungi ma'lumotlarni uzatish texnologiyalari fotoniklarga nisbatan ancha past tarmoqli kengligi uchun mo'ljallangan va ma'lumotlar uzatiladigan masofa oshgani sayin, uzatish tezligi yanada sekinlashadi.

“Hisoblash platformasi komponentlari oʻrtasida maʼlumotlarni uzatish tezligini protsessorlar tezligiga moslashtirish zarur. Bu, albatta, juda muhim vazifa. Biz kremniy fotonikasini ushbu muammoning yechimi sifatida ko'ramiz va bizni ushbu sohada birinchi o'ringa qo'yadigan tadqiqot dasturini davom ettirmoqdamiz ", dedi Kevin Kan, Intel korporatsiyasining taniqli tadqiqot muhandisi.

Optik xotira moduli prototipi sinovlari server xotirasiga kirish uchun elektr energiyasidan ko'ra yorug'likdan foydalanish mumkinligini ko'rsatdi.

Intel kompaniyasining optika bo‘yicha yetakchi tadqiqotchisi Drew Alduino boshchiligidagi guruh Intel platformalari uchun optik protsessordan xotiraga aloqa tizimini ishlab chiqmoqda. To'liq buferlangan FB-DIMM xotirasi asosida sinov platformasi allaqachon yaratilgan bo'lib, unda Microsoft Windows yuklanadi va ishlaydi. Amaldagi prototip tizimning ishlashiga putur etkazmagan holda optik aloqa liniyalari yordamida xotirani protsessorga ulash qobiliyatining isbotidir.

Bunday yechimning tijorat versiyasini yaratish foydalanuvchilar uchun juda katta foyda keltiradi. Optik aloqa tizimlari xotira tarmoqli kengligi va protsessor tezligi o'rtasidagi to'siqni bartaraf qiladi va hisoblash platformasining umumiy ish faoliyatini yaxshilaydi.

Tadqiqotdan boshlab amalga oshirishgacha

Intelning taniqli tadqiqot muhandisi Mario Paniccia boshchiligidagi Fotonik texnologiyalari laboratoriyasi barcha optik aloqa komponentlari - lazer, modulyator va demodulyator - mavjud ishlab chiqarish texnologiyalaridan foydalangan holda yarim o'tkazgichlardan ishlab chiqarilishi mumkinligini isbotladi. PTL allaqachon rekord darajadagi ishlashda ishlaydigan kremniy fotonikining muhim komponentlarini, jumladan, 40 Gbit / s gacha ma'lumot uzatish tezligini etkazib beradigan modulyatorlar va demodulyatorlarni namoyish etdi.

Yarimo'tkazgichli fotonik texnologiyasini amalga oshirish uchun oltita asosiy komponent talab qilinadi:

• lazer chiqaradigan fotonlar;
• fotonlar oqimini hisoblash platformasi elementlari o'rtasida uzatish uchun axborot oqimiga aylantirish uchun modulyator;
• fotonlarni o'z manzillariga etkazish uchun "uzatish liniyalari" vazifasini bajaradigan to'lqin uzatgichlar va yorug'lik signallarini birlashtirish yoki ajratish uchun multipleksorlar;
• shaxsiy kompyuterlarni ommaviy ishlab chiqarishda qo'llanilishi mumkin bo'lgan yig'ish texnologiyalari va arzon echimlarni yaratish uchun ayniqsa zarur bo'lgan korpus;
• axborotni tashuvchi fotonlar oqimlarini qabul qilish va ularni kompyuterda qayta ishlash uchun mavjud bo'lgan elektronlar oqimiga aylantirish uchun demodulyator;
• ushbu komponentlarni boshqarish uchun elektron sxemalar.

%%%
Yarimo'tkazgich texnologiyalaridan foydalangan holda ushbu barcha optik aloqa komponentlarini amalga oshirish masalasi katta tadqiqot muammosi sifatida keng e'tirof etilgan bo'lib, uni hal qilish katta texnik yutuqga olib keladi. PTL 40 Gbit / s gacha ma'lumot uzatish tezligini ta'minlaydigan yuqori unumdor qurilmalar, modulyatorlar, kuchaytirgichlar va demodulyatorlarni ishlab chiqish orqali bir qator jahon rekordlarini o'rnatdi. Kelgusi besh yil ichida Intel ushbu komponentlarni haqiqiy mahsulotlarga birlashtirishga harakat qiladi.

Silikon fotonikasining asosiy komponentlaridan biri 40 Gbit/s gacha uzatish tezligini ta'minlovchi modulyatordir.

Yarimo'tkazgichli fotonika sohasida Intel allaqachon uy cho'zilishiga erishdi. Optik elementlarning integratsiyasi sohasidagi tadqiqotlar allaqachon ilmiy yoki texnologik rivojlanish bosqichidan tijorat mahsulotlarini yaratish bosqichiga o'tdi. Tadqiqot guruhi endilikda ushbu inqilobiy texnologiya asosida innovatsion mahsulotlarni loyihalash imkoniyatlari va spetsifikatsiyalarini aniqlashga qaratilgan. Oxir oqibat, Intel guruhlari prototiplarni yaratadi va yangi texnologiyani o'zlashtirishni tezlashtirish uchun mahsulotni ishlab chiqish guruhlari bilan yaqindan hamkorlik qiladi.

O'z faoliyatidan tashqari, Intel CTGdan tashqari ushbu sohadagi eng istiqbolli tadqiqotlarni moliyalashtirmoqda - xususan, gibrid yarimo'tkazgichli lazerni ishlab chiqayotgan Santa Barbaradagi Kaliforniya universiteti bilan hamkorlik qilmoqda. PTL laboratoriyasida boshqa mamlakatlardagi turli universitetlarning iqtidorli bitiruvchilari ham amaliyot o‘tamoqda.

Intelning optika bo‘yicha yetakchi tadqiqotchisi Richard Jons shunday dedi: “Hozirgi gibrid yarimo‘tkazgichli lazer loyihasida biz ikkita asosiy muammoga duch kelyapmiz. Birinchidan, Kaliforniya universitetidan gibrid lazerli tajriba ishlab chiqarishni Intel zavodiga o'tkazishimiz kerak. Ikkinchidan, biz CMOS-mos ishlab chiqarish texnologiyasiga asoslangan yagona optik transmitter yaratishimiz mumkinligini isbotlash uchun gibrid lazer, yuqori tezlikda ishlaydigan yarimo'tkazgich modulyatori va multipleksorni birlashtirishimiz kerak.

Silikon fotonik texnologiyalarni joriy etish yuqori hajmli lazerlarni ishlab chiqarish uchun yangi ishlab chiqarish jarayonlarini ishlab chiqishni o'z ichiga oladi. Intelning fotonika sohasidagi muvaffaqiyatlari unga potentsial raqobatchilardan sezilarli darajada ustun turish imkonini beradi. PTL Laboratory allaqachon 150 ga yaqin patentlarni ro'yxatdan o'tkazgan. Nature kabi eng nufuzli nashrlar Intel mutaxassislarining misli ko'rilmagan yutuqlarini qayd etdi. Bundan tashqari, Intel 2007 yilda eng istiqbolli yangi texnologiyalar uchun EE Times ACE mukofotiga sazovor bo'ldi.

Fotonlarni ta'qib qilish

O'nlab yillar davomida tasdiqlangan tranzistorlar ishlab chiqarish jarayonlaridan farqli o'laroq, yarimo'tkazgichli fotonika uchun elementlarni yaratish texnologiyasi butunlay yangi. Uni amalga oshirish yo'lida ma'lum muammolar mavjud: qurilmalarni optimallashtirish, dizayn ishonchliligini oshirish, sinov metodologiyasini ishlab chiqish, energiya samaradorligini ta'minlash va kichik qurilmalarni ishlab chiqish.

40 Gigabit silikon lazer modulyatori uchun sinov dastgohi

Eng muhim muammolardan biri optimallashtirishdir, chunki PTL laboratoriyasi ommaviy hisoblash uchun optik qurilmalarni ishlab chiqadi. Boshqa shunga o'xshash mahsulotlar, standartlar yoki boshqa mos yozuvlar bo'lmasa-da, yangi texnologik jarayonni ishlab chiqayotgan muhandislar o'zlari kompyuter ilovalari ehtiyojlariga eng yaxshi javob beradigan echimlarni qidiradilar.

Hozirgi vaqtda fotoelektronika standartlari bo'yicha nisbatan kichik bo'lgan PTL laboratoriyasining bir guruh tadqiqotchilari asta-sekin yarimo'tkazgichli fotonik echimlarni tijoratlashtirishga o'tmoqdalar va bu ajoyib texnologiyani ommaviy ravishda o'zlashtirish 2010 yilda boshlanishi mumkinligini kutmoqdalar. Bir guruh optika mutaxassislari Viktor Krutul boshchiligida Digital Enterprise Group (DEG) yangi texnologiyalarni ishlab chiqish uchun asos bo'ladigan ilovalarni ishlab chiqmoqda. "Biz optik aloqalarni o'zlashtirib, Intel mahsulotlari Mur qonuniga rioya qilishda davom etishiga ishonamiz", - deydi Krutal.

Bir xil hisoblash platformasining komponentlari va turli tizimlar o'rtasida ma'lumot uzatish uchun elektronlar emas, balki fotonlar ishlatilsa, keyingi kompyuter inqilobi sodir bo'ladi. Dunyo bo'ylab yetakchi elektronika ishlab chiqaruvchilari raqobatbardosh ustunlikka ega bo'lishga intilib, ushbu poygaga allaqachon qo'shilgan. Yangi texnologiyaning ahamiyatini integral mikrosxemalar ixtirosi bilan solishtirish mumkin. Intel ushbu tadqiqotda va yarimo'tkazgichli fotonikaga asoslangan komponentlarni ishlab chiqishda yetakchilik qilmoqda.

O'n yillik tadqiqotlar natijasi bo'lgan kremniy fotonik chipi yorug'lik impulslari yordamida 100 Gbit / s gacha tezlikda ma'lumotlarni uzatishga qodir. Sinov vaqtida uzatish masofasi ikki kilometrga yetdi.

Nur ma'lumotlarni saqlash tizimlari, tarmoq uskunalari va protsessor markazlaridagi serverlarni bog'laydigan mis kabellarga qaraganda tezroq uzatish imkonini beradi. Silikon fotonik chip kelajak avlod serverlari va superkompyuterlarini yuqori tezlikdagi optik tolali ulanishlar bilan ulash imkonini beradi, bunda hisoblash tugunlari o'rtasida katta hajmdagi ma'lumotlar uzatilishi kerak.

IBM o'z texnologiyasini ma'lumotlar markazlarini hisobga olgan holda rivojlantirmoqda va uni tez orada shaxsiy kompyuterlar yoki portativ qurilmalarga aylantirishi kutilmaydi, dedi IBM kremniy fotonikasi bo'limining katta menejeri Vilfird Xensh.

Silikon fotonik texnologiyalari qayta ishlash, xotira va saqlash birliklarini bir-biridan ajratish qobiliyati tufayli ma'lumotlar markazlarida serverlarni joylashtirish usulini tubdan o'zgartirish imkoniyatiga ega. Ushbu ajratish natijasida ilovalar tezroq ishlashi mumkin bo'ladi va fanatlar va quvvat manbalarini birlashtirish orqali komponentlar narxi kamayadi.

Mashinani o'rganish tizimlari va katta ma'lumotlarni qayta ishlashdan tobora ko'proq foydalanish tufayli bugungi kunda server hisoblash kuchiga talab ortib bormoqda. The Envisioneering Group tadqiqot direktori Richard Dohertining aytishicha, optik o'zaro ulanishlar bilan o'nlab protsessorlar bitta server tokchasida aloqa o'rnatishi mumkin, bu ko'p tugunli ishlov berish uchun vazifalarni taqsimlashni osonlashtiradi.

Optik o'zaro ulanishlar yordamida serverlar, drayvlar kabi, hisoblash quvvatiga bo'lgan ehtiyojdan kelib chiqib, uzilishlarsiz osongina almashtirilishi mumkin, deya qo'shimcha qildi u.

Nur allaqachon aloqa tarmoqlarida uzoq masofalarga ma'lumotlarni uzatish uchun ishlatiladi, ammo optik tolali texnologiya arzon emas. Optik kabellar, shuningdek, Mac va shaxsiy kompyuterlarda periferik qurilmalar bilan yuqori tezlikda ma'lumot almashish uchun ishlatiladigan Thunderbolt interfeysi tomonidan qo'llab-quvvatlanadi.

IBMning kremniy fotonik texnologiyasi telekommunikatsiya tarmog'ining optik uskunasiga qaraganda arzonroq va qisqa masofaga ega, dedi Hensch.

Intel shuningdek, ma'lumotlar markazlari uchun kremniy-fotonik chiplarni yaratdi, biroq korporatsiya e'lon qilingan ishlab chiqarish sanalariga javob bera olmadi. IBM kremniy-fotonik uzatgichni birinchi bo'lib taklif qilmasligi mumkin, ammo uning texnologiyasi Intelnikiga qaraganda ancha hayotiy va murakkabroq, deb hisoblaydi Doherti.

Uning so‘zlariga ko‘ra, IBM chipini ishlab chiqarish osonroq va arzonroq va oddiy tuzilishga ega, Intel yechimi esa qo‘shimcha jismoniy komponentlarni talab qiladi.

Biroq, Intelning o'zi, uning optik modullari birlashtirilganligini va sinov va narx jihatidan afzalliklarga ega ekanligini ta'kidlaydi.

Ikki kompaniyaning chiplari ma'lumotlarni butunlay boshqacha tarzda uzatadi va har birining o'ziga xos afzalliklari bor. IBM chipi bitta tola orqali turli toʻlqin uzunlikdagi toʻrtta kanalni oʻtkazish uchun moʻljallangan, Intel texnologiyasi esa kengaytiriladigan boʻlib, kabelda koʻproq sim oʻtkazish imkonini beradi, dedi Doherti.

Intel’da 64 tagacha yadroli MXC optik kabellari mavjud bo‘lib, ularning har biri 25 Gbit/s uzatish tezligiga ega. Ammo tolalar sonini ko'paytirish qimmatga tushishi mumkin va IBMning bir yadroli varianti ko'plab ma'lumotlar markazlarining tezligi va masofaga bo'lgan talablarini arzonroq narxda qondirishi mumkin, deya qo'shimcha qildi Doherti.

IBM kremniy fotonik chiplari bozorga qachon chiqishini aytmadi.

Fotonika - yorug'lik (foton) hosil bo'lishi, aniqlash, konvertatsiya qilish, emissiya, uzatish, modulyatsiya, signalni qayta ishlash, almashtirish, kuchaytirish va ko'rsatishni fizik o'rganish. Ko'pgina ilovalar ko'rinadigan va infraqizil nurlanishni o'z ichiga oladi, ammo ilovalar butun spektr bo'ylab tarqaladi.

Tadqiqotning istiqbolli yo'nalishi kremniy fotonikasi bo'lib, sanoatning keyingi rivojlanishi ushbu sohaning ortib borayotgan muvaffaqiyati bilan bog'liq.

Hikoya

Fotonika 1960 yilda lazerning yaratilishi bilan paydo bo'ldi. Ushbu ixtirodan keyin 1970-yillarda ma'lumotlarni uzatish uchun lazerli diod va erbiy qo'shilgan optik tolali kuchaytirgich paydo bo'ldi. Ushbu ixtirolar 20-asr oxiridagi telekommunikatsiya inqilobi uchun zamin yaratdi va Internet uchun infratuzilmani ta'minladi.

Bu atama 1980-yillarda, telekommunikatsiya tarmoqlari operatorlari optik tola orqali maʼlumotlarni uzatishni oʻzlashtirgan paytda keng tarqaldi va uning tarqalishiga Bell Laboratories hissa qoʻshdi. 1980-yillarning oxirida Elektr va elektronika muhandislari instituti lazer va elektron optika jamiyati Photonics Technology Letters jurnalini taʼsis etganida bu soʻzning qoʻllanilishi mustahkamlandi.

Taxminan 2001 yilda dot-com (internet) qulashigacha bo'lgan davrda fotonik sohasi birinchi navbatda optik aloqa tarmoqlariga qaratilgan. Endi u lazer ishlab chiqarish, biologik va kimyoviy zondlash, tibbiy diagnostika va terapevtika, displey texnologiyasi va optik hisoblashni o'z ichiga olgan keng ko'lamli ilmiy va texnologik ilovalarni o'z ichiga oladi.

Fotonika, boshqa sohalarga ulanish

Klassik optika

Bu erda aloqa juda yaqin. Klassik optika yorug'likning diskret ekanligini kashf qilishdan oldin paydo bo'ldi, bu 1905 yilda Albert Eynshteyn fotoelektr effektining tabiatini g'alaba bilan tushuntirganida aniq bo'ldi. Optik asboblarga sindiruvchi linzalar, aks ettiruvchi nometalllar va 15—19-asrlarda ishlab chiqilgan koʻplab optik komponentlar va asboblar kiradi. XVII asrda kashf etilgan Gyuygens printsipi, 19-asrda yozilgan Maksvell tenglamalari va toʻlqin tenglamalari kabi klassik optikaning asosiy tamoyillari yorugʻlikning kvant xossalariga asoslanmagan.

Zamonaviy optika

Ushbu fan sohasi optomexanika, elektro-optika, optoelektronika va kvant elektronika bilan bog'liq. Biroq, har bir sohaning o'ziga xos xususiyatlari, o'ziga xos ilmiy jamoalari va bozordagi o'rni bor.

Kvant optikasi odatda fundamental tadqiqotlarga, fotonik esa amaliy tadqiqotlar va ishlanmalarga tegishli:

• Yengil zarrachalarning xossalarini o'rganish.
• Fotonlar yordamida signalni qayta ishlash qurilmalarini yaratish.
• Optikaning amaliy qo'llanilishi.
• Elektron qurilmalarga o'xshash qurilmalarni yaratish.

"Optoelektronika" atamasi bir vaqtning o'zida elektr va optik funktsiyalarga ega bo'lgan qurilmalar yoki sxemalar uchun qo'llaniladi, ya'ni. yupqa plyonkali yarimo'tkazgichli qurilmalarga. Ilgari "elektro-optika" atamasi ishlatilgan va elektro-optika elektro-optik o'zaro ta'sirga ega chiziqli bo'lmagan qurilmalarga, masalan, ommaviy kristal modulyatorlari (Pockels xujayralari), shuningdek, odatda fuqarolik yoki davlat tashkilotlari tomonidan ishlatiladigan ilg'or tasvir sensorlarini nazarda tutgan. nazorat.

Rivojlanayotgan hududlar

Fotonika kvant axborot fani va kvant optikasining rivojlanayotgan sohalari bilan chambarchas bog'liq bo'lib, ular umumiy texnikaga ega. Rivojlanayotgan boshqa sohalarga mezoskopik yoki makroskopik ob'ektlarning mexanik tebranishlari yorug'lik qanday ta'sir qilishini o'rganadigan optomexanika va vaqtni hisoblash, navigatsiya va metrologiya xizmatlari uchun fotonik va atom asboblarini birlashtirgan qurilmalar kiradi. Polaritonikaning farqi shundaki, asosiy axborot tashuvchilari 300 gigagertsdan taxminan 10 TGs gacha chastota diapazonida ishlaydigan polaritonlar (fotonlar va fononlarning aralashmalari) hisoblanadi.

Tadqiqot sharhi

Fotonika - yorug'likni chiqarish, uzatish, kuchaytirish, aniqlash va modulyatsiyasini o'rganadigan fan.

Nur manbalari

Fotonikda yorug'lik manbalari odatda strukturaviy jihatdan murakkabroq. Superlyuminestsent diodlar va lazerlar, shuningdek, bitta fotonli manbalar, katod nurlari quvurlari va plazma ekranlari ishlatiladi. Katod nurli naychalar, plazma ekranlar va displeylar o'zlarining yorug'ligini yaratadilar, LCD displeylar (masalan, TTF ekranlari) sovuq katodli orqa yorug'likni yoki odatda LEDlarni talab qiladi.

Yarimo'tkazgichli yorug'lik manbalari uchun klassik yarim o'tkazgichlar (kremniy va germaniy) o'rniga ko'proq intermetalik birikmalar qo'llanilishi xarakterlidir. Qo'llaniladigan moddiy tizimlarga misollar galliy arsenid (GaAs) va galyum alyuminiy arsenid (AlGaAs) yoki boshqa aralash yarim o'tkazgichlardir. Ushbu materiallar gibrid kremniy lazerlarini ishlab chiqarish uchun kremniy bilan birgalikda ishlatiladi.

Ma'lumotlarni uzatish vositasi

Nur har qanday shaffof muhitdan o'tishi mumkin. Nurni kerakli yo'l bo'ylab yo'naltirish uchun shisha tolali yoki plastik toladan foydalanish mumkin. Optik aloqa tizimlarida optik tolalar raqamli bit tezligiga va uzatish uchun ishlatiladigan modulyatsiya turiga qarab, 100 km dan ortiq masofalarga ma'lumotlarni kuchaytirmasdan uzatish imkonini beradi. Tadqiqotning juda istiqbolli yo'nalishi - bu aniq optik xususiyatlarga ega bo'lgan maxsus tuzilmalar va materiallarni - fotonik kristallar, fotonik kristalli optik tolalar va metamateriallarni ishlab chiqish va ishlab chiqarish.

Kuchaytirgichlar

Optik kuchaytirgichlar optik signallarni kuchaytirish uchun ishlatiladi. Optik aloqa aloqalarida erbiy qoʻshilgan tolali kuchaytirgichlar, yarimoʻtkazgichli optik kuchaytirgichlar, Raman kuchaytirgichlari va optik parametrik kuchaytirgichlar qoʻllaniladi. Kvant nuqtali yarimo'tkazgichli optik kuchaytirgichlarni tadqiq qilish juda istiqbolli yo'nalishdir.

Aniqlash (aniqlash)

Fotodetektorlar yorug'likni aniqlash uchun mo'ljallangan, ular turli darajadagi ishlash qurilmalarini o'z ichiga oladi: yuqori tezlikda ishlaydigan fotodiodlar, o'rta tezlikda zaryadlangan qurilmalar, quyosh nuri energiyasini elektr energiyasiga aylantirish uchun ishlatiladigan inert qurilmalar; Bundan tashqari, termal, kimyoviy, kvant, fotoelektrik va boshqa effektlarga asoslangan ko'plab fotodetektorlar mavjud.

Modulyatsiya

Yorug'lik manbalarining modulyatsiyasi yorug'lik manbalari tomonidan uzatiladigan ma'lumotlarni kodlash uchun ishlatiladi. Yorug'lik manbasini to'g'ridan-to'g'ri modulyatsiya qilishning eng oddiy misollaridan biri Morze kodidagi xabarni uzatish uchun chiroqni yoqish va o'chirishdir. Bundan tashqari, tashqi optik modulyator yordamida yorug'lik manbasini boshqarish mumkin.

Qo'shimcha tadqiqot sohasi modulyatsiya turidir. Optik aloqada modulyatsiyaning keng tarqalgan turi yoqish-o'chirishdir. So'nggi yillarda dispersiya kabi signalni buzuvchi ta'sirlarga qarshi turish uchun fazali siljish yoki ortogonal chastotali bo'linish multipleksatsiyasi kabi yanada ilg'or modulyatsiya turlari ishlab chiqildi.

Fotonik tizimlar

Fan, shuningdek, optik aloqa tizimlarida foydalanish uchun fotonik qurilmalarni tadqiq qilish bilan shug'ullanadi. Ushbu tadqiqot sohasi yuqori tezlikdagi fotonik tarmoqlarga o'xshash fotonik qurilmalarni amalga oshirishga qaratilgan va optik signallarning sifatini yaxshilaydigan optik regeneratorlar bo'yicha tadqiqotlarni o'z ichiga oladi.

Fotonik integral mikrosxemalar

Mikrofotonika va nanofotonika sohalari odatda fotonik kristalli qurilmalar va qattiq holatdagi qurilmalarni o'z ichiga oladi.

Fotonik integral mikrosxemalar kamida ikkita turli xil funktsional bloklardan iborat optik faol integral yarimo'tkazgichli fotonik qurilmalardir (qozonish hududi va panjara asosidagi lazer nometalllari). Ushbu yaxshilangan ishlash qurilmalari optik aloqaning tijorat muvaffaqiyati va oxirgi iste'molchiga aloqa narxini sezilarli darajada oshirmasdan mavjud tarmoqli kengligini oshirish qobiliyati uchun javobgardir. Eng ko'p ishlatiladigan fotonik integral sxemalar indiy fosfidiga asoslangan.

Ilovalar

Fotonika hamma joyda mavjud bo'lib, kundalik hayotning barcha sohalariga kirib bordi. 1948 yilda tranzistorning ixtiro qilinishi elektronikaning qo'llanilishini sezilarli darajada kengaytirganidek, sanoatning noyob ilovalari rivojlanishda davom etmoqda va deyarli cheksizdir.

Yarimo'tkazgichli fotonik qurilmalarning iqtisodiy jihatdan muhim qo'llanilishiga quyidagilar kiradi:

• Optik ma'lumotlarni yozib olish va qayta ishlash.
• Ma'lumotni ko'rsatish.
• Yuqori quvvatli lazerlarning optik nasoslari.
• Telekommunikatsiyalar: optik tolali aloqa, optik pastga aylantiruvchilar.
• Fotonik kompyuterlar orqali hisoblash: soat taqsimoti va kompyuterlar, bosilgan elektron platalar yoki optoelektronik integral mikrosxemalar o'rtasida aloqa.
• Uy jihozlari.
• Yoritish.
• Kserografiyaga asoslangan lazerli bosib chiqarish.
• Shtrix-kod skanerlari, printerlar.
• CD/DVD/Blu-Ray qurilmalari.
• Masofadan boshqarish moslamalari.
• Tibbiyot: salomatlik monitoringi, diagnostika, past ko'rishni tuzatish, lazerli jarrohlik, jarrohlik endoskopiya, tatuirovkani olib tashlash.
• Sanoat: turli usullar yordamida payvandlash, burg'ulash, kesish va sirtni pardozlash uchun lazerdan foydalanish.
• Robototexnika.
• Qishloq xo'jaligi.
• Kimyoviy sintez.
• Termoyadro energiyasi.
• Qurilish: lazerli tekislash, lazerli masofa o'lchagichlar, aqlli tuzilmalar.
• Aviatsiya: harakatlanuvchi qismlarsiz fotonik giroskoplar.
• Harbiy texnika: lazerli mudofaa tizimlari, IR sensorlar, boshqaruv, navigatsiya, qidiruv va qutqaruv operatsiyalari.
• Metrologiya: vaqt, chastota va masofani o'lchash.
• spektroskopiya.
• Shaxtalarda qatlamlarning paydo bo'lishi va aniqlanishi.
• Ko'ngilochar sanoat: lazer shoulari, gologramma san'ati.
• Kelajakda: kvant hisoblash.