Einführung. Silicon Photonics

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1 Einführung Silicon Photonics Photonics in modern life Information & Communication Industrial Manufacture Life Sciences Metrology & Sensing Lighting Display 2 1

2 Silicon photonics Photonics Silicon Photonics Electronics 3 Evolution of microelectronics Silicon Photonics Silicon Photonics 4 2

3 Trend 1 Photonische Integration Costs are driving (aus: M. Paniccia, Integrated Photonics) Technology vs Distance 5 Trend 1 Photonische Integration Performance is driving (aus: M. Paniccia, Integrated Photonics) Prognostics: Optical vs electrical 6 3

4 Trend 1 Photonische Integration Performance Kosten Steigerung Gewinn zusätzliche Funktionalität klassischer Kommunikationsmarkt Massenmarkt für Photonik? 7 Integrated photonics 8 4

5 Trend 2 - IC-Technology Exponential Growth (Source: Intel) 9 Trend 2 - IC-Technology unsurpassed complexity unsurpassed functionality unsurpassed ubiquitious 10 5

6 Trend 2 On chip interconnects Hierarchische Skalierung (aus: Technology Roadmap 2005) CPU-Querschnitt 11 CPU Hotspots! (aus: Z. Gaburro, Optical Interconnect) Physikalische Limits im Interconnect! Licht auf den IC 12 6

7 Silicon photonics - jobs 13 Waveguiding on silicon n cladding n core Basic principle total internal reflection Δn = ncore ncladding > 0 Silicon on insulator (SOI) waveguides SiO 2 Nanowires nm SOI Si SiO µm SOI Rib waveguides Si SiO 2 4 µm SOI Rib waveguides transparency condition: λ > 1.1µm typical: λ = 1.3 / 1.5 µm 14 7

8 Wellenleitertechnologie (nach: M. Lipson, Guiding, Modulating,& Emitting Light on Silicon) E-beam litho Entwicklung Ätzen Cladding 15 Passive Bauelemente Koppler Interferometer X II Mach-Zehnder-Interferometer- Struktur -5 1x4 Multi-Moden-Koppler Self-Imaging Balance, Excess Loss Toleranzen Doppelbrechung signal [db] TE wavelength [nm] Filterkurve 16 8

9 Gitterstrukturen (aus: M. Lipson, Guiding, Modulating,& Emitting Light on Silicon) Bragg WL-Gitter Einkoppelgitter (aus: G. Roelkens et al., Efficient SOI Fiber Couplers) 17 Photonische Kristalle Slow Light Lokaler Defekt (aus: P. Viktorovitch, epixnet Winter School 2006) Photonic band gap confinement Hohe Barriere Langes Trapping der Moden 18 9

10 Silicon photonics - jobs 19 Modulatoren (aus: A. Liu et al., High-speed optical modulation.., OE, 2007) 20 10

11 Silicon photonics - jobs 21 Detektormaterial Transparentes Substrat 22 11

12 Detektoren im CMOS-Prozess (aus: C. Gunn, CMOS Photonics for High-Speed Interconnects) Technologische Herausforderung Integrationskonzepte Performance 23 Silicon photonics - jobs 24 12

13 Lasing Begrenzende Mechanismen in Silizium Indirekte Bandlücke: niedrige Wahrscheinlichkeit strahlender Übergänge Dominanz nichtstrahlender Rekombination interne Quanteneffizienz ~ 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

14 Raman-Laser Stokes peak Raman-Spektrum von Silizium (down) Stimulierte Raman-Streuung h ω = hω + hω pump signal (2-Niveau-System) phonon 27 Hybrid integrierte Laser optisch gepumpt Simulation Bauelement 28 14

15 Silicon photonics - jobs Photonics 29 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

16 Konzeptionelle Analyse Optical Signaling & Clock Signaling - Kommunikation zwischen verschiedenen logischen Einheiten Prinzipielle Schaltung Was muss opt. Interconnect leisten können? 31 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

17 Siliziumphotonik an der TU Berlin Integration mit Elektronik Quantensprung in der Technologie Photonics Silicon Photonics Electronics + = Gründung 2008 Enge Kooperation seit IHP Frankfurt (Oder) Founded 1983 Institut für Halbleiterphysik of the Academy of Science 200mm pilot line 1000m 2 cleanroom 0.13µm SiGe BiCMOS Prototyping shuttle service (multiproject wafers) via IHP or EUROPRACTICE professional design kit 34 17

18 Organisatorisches Lehrveranstaltung zur Prüfung zugelassen Kontakt: Aktuelle Neuigkeiten (z.b. terminlich) via AB NÄCHSTE WOCHE im Raum E104 möglich 14:15 15:45 Uhr oder 16:15 17:45 Uhr 35 18