Ультракомпактный MZM: рекордные характеристики

Радиочастотный модулятор Маха-Зендера, разработанный в компании IBM и отличающийся рекордно малыми размерами, открывает перспективу использования высокоскоростной фотонной передачи данных внутри чипов. Разработка частично финансировалась DARPA.

В исследовательском центре имени Уотсона IBM (г. Йорктаун Хайтс, штат Нью-Йорк) разработан кремниевый электрооптический радиочастотный модулятор Маха-Зендера (MZM) размером 1 - 200 мкм. Работа коллектива под названием “Ultra-compact, low RF power, 10 Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator” опубликована в журнале Optics Express.

Разработчики устройства - Уильям Грин (William M. J. Green), Майкл Рукс (Michael J. Rooks), Лидия Секарич (Lidija Sekaric) и Юрий Власов (Yurii A. Vlasov) - подчеркивают, что важнейшим фактором, обусловившим интерес к данной технологии, является ее высокая совместимость с КМОП-электроникой и возможность реализации с использованием отработанных производственных методик. Это, в свою очередь, позволяет создавать каналы передачи данных с высокой полосой пропускания внутри высокопроизводительных чипов.

Прототип устройства позволяет модулировать оптическое излучение с частотой до 10 гигабит/с при удельном энергопотреблении, составляющем 5 пикоджоулей/бит. Возможно даже, что этот показатель завышен из-за несогласованности на высоких частотах в существующем прототипе; это означает, что открывается перспектива дальнейшего снижения удельного (в расчете на бит данных) энергопотребления.

Ультракомпактный MZM, разработанный специалистами IBM, представляет собой нанофотонный гребенчатый волновод (rib waveguide) со встроенными диодами p+-i-n+-типа шириной 550 нм и высотой 220 нм. Это примерно на два порядка меньше, чем в имеющихся аналогах. Устройство может быть размещено на подложке размером 100х10 мкм.

Существенное снижение размеров модулятора по сравнению аналогами позволило резко повысить электрооптическую эффективность преобразователя. Необычайная компактность устройства и возможность производства с помощью уже отработанных технологий позволяет использовать их для организации линий передачи данных внутри чипа, носителем в которых будут выступать уже не электроны, но фотоны.

Это позволит на порядок снизить энергопотребление чипа и на два порядка повысить скорость передачи данных. Новая технология позволит в перспективе повысить количество вычислительных ядер, которые могут быть размещены на одном чипе.

Возможно, передача данных внутри чипа - не единственная потенциальная область применения MZM-технологии. Особый интерес к данной технологии проявляет Пентагон. Работа ученых IBM частично финансировалась агентством передовых оборонных проектов США (DARPA) через управление военных исследований в рамках программы "замедление, хранение и процессинг света" (Slowing, Storing and Processing Light).