В последние годы запросы на высокоскоростную передачу и обработку данных становятся все более серьезными из-за стремительно растущих объемов трафика, требуемого для интернета вещей, больших данных, облачных сервисов и искусственного интеллекта. Традиционные методы обработки сигналов, основанные на электрооптических преобразованиях, сталкиваются с серьезными ограничениями в области энергии, стоимости и пропускной способности. В этом контексте ключевое значение приобретают технологии, способные осуществлять все операции прямо в оптической области, исключая необходимость повторных преобразований между оптическим и электрическим сигналом. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области являются силиконовые перестраиваемые и программируемые чипы для всеоптической обработки сигналов, сочетающие в себе преимущества передовой фотоники и CMOS-совместимых процессов производства. Силиконофотоника представляет собой использование кремния в качестве материала для интеграции компактных и высокоэффективных оптических компонентов на едином чипе.
Такая интеграция позволяет достичь малого размера, низких потерь и высокой плотности компонентов. В частности, использование кремния-on-insulator (SOI) платформы обеспечивает высокую степень совместимости с промышленными процессами микроэлектроники, что снижает стоимость и увеличивает доступность фотонных приборов. Ключевым преимуществом полнооптической обработки сигналов (AOSP) с использованием кремниевых чипов является возможность оперировать с информацией на скоростях, сопоставимых с пропускной способностью световых каналов, что дает прирост производительности в несколько порядков по сравнению с электрооптическими схемами. Кроме того, AOSP обеспечивает прозрачность к скорости передачи, формату модуляции и длине волны, что крайне важно для гибких и масштабируемых телекоммуникационных сетей следующего поколения. Основные вызовы в создании полнооптических перестраиваемых и программируемых кремниевых чипов связаны с достижением сверхнизких потерь, усилением нелинейных взаимодействий света с материалом, обеспечением высокой степени управления и повторяемости оптических сигналов, а также минимизацией взаимных помех между тесно размещенными компонентами.
Первая крупная трудность заключается в снижении оптических потерь в интегрированных кремниевых волноводах и резонаторах. Потери обусловлены шероховатостью боковых стенок волноводов, неправильной геометрией и поглощением, которые препятствуют эффективному усилению сигналов через нелинейные процессы. Решение этой проблемы требуют усовершенствованных технологий литографии, обработки поверхности, а также инновационных конструкций, например, использование мульти модовых волноводов с эргономичной формой изгибов, а также термическое сглаживание и модификация для уменьшения микронеровностей. Вторая важнейшая задача — повышение оптической нелинейности материала и устройства. Силикон обладает третьим порядком нелинейности (ангармоническим откликом электронов), что позволяет реализовывать эффекты, такие как четырёхволновое смешивание (FWM).
Однако эти эффекты обычно слабы и требуют высокого оптического мощности для проявления. Для преодоления этого были разработаны специальные волноводные структуры, например, с обратной поляризацией PIN-перехода, что ускоряет удаление носителей заряда и снижает поглощение. Также применяются узкозазорные щелевые волноводы, полимерные органические нелинейные материалы, взаимодействующие с кремниевой подложкой, и парные микрорезонаторы с параллельной и антипараллельной симметрией (PT-симметрия), позволяющие значительно повысить эффективность преобразований. Третья, не менее важная проблема, связана с кооперацией и борьбой с кросстолком — взаимопроникновением сигналов и воздействием тепловых и электрических полей между близко размещенными элементами. Для этого применяют комплексные меры, включая оптимизацию компоновки, использование специализированных упаковок с хорошим теплоотводом, а также разработку инновационных схем управления, позволяющих свести к минимуму влияние взаимных помех.
Интеграция перестраиваемых фильтров на базе микрокольцевых резонаторов и интерферометров Маха-Цендера позволяет динамически изменять пропускные полосы, центральные частоты и спектральные характеристики. Это существенно улучшает гибкость управления оптическими каналами в сетях с переменной нагрузкой. Благодаря высокому фактору качества (Q до 2 миллионов и выше) достигается узкополосный отбор сигналов с минимальными искажениями и потерями. Программируемые оптические логические схемы на основе FWM обеспечивают сверхвысокую скорость вычислений, достигающую сотен гигабит в секунду. Использование модифицированных кремниевых волноводов с улучшенной нелинейностью позволяют получить полный набор базовых логических элементов (canonical logic units) для построения сложных и адаптивных вычислительных массивов.
Кроме того, реализованы многоуровневые логические операции с фазово-кодированными сигналами, что расширяет возможности передачи и обработки данных. Разработка многомерных схем узгодживается с применением мультиканальной и мультиформатной регенерации сигналов. Это важно для сохранения качества на больших расстояниях и при высоких скоростях передачи. Применение модового мультиплексирования в данной области позволяет увеличить пропускную способность систем, одновременно обеспечивая масштабируемость и эффективность. Особое внимание уделяется вопросу упаковки и интеграции элементов.
Для увеличения количества каналов и функций на одном кремниевом чипе требуется продвинутый уровень электрофотонного дизайна, включающий в себя компактные и низкопотерянные волноводные переходы, оптические переходники с высокой эффективностью, многослойную разводку проводников, а также эффективное тепловое управление. Кроме того, современная упаковка способствует снижению влияния электромагнитных помех и температурных колебаний, что усиливает надежность и стабильность работы таких сложных систем. В перспективе дальнейшие достижения ожидаются за счет развития новых материалов с улучшенными нелинейными свойствами и более широким спектром прозрачности, таких как алюминиево-галлиево-арсенид на изоляторе, кремний-нитрид, халькогениды и тонкослойные литиевые ниобаты. Также активно исследуются гибридные интеграционные технологии, объединяющие кремний с III-V полупроводниками для создания источников лазерного излучения на чипе и детекторов. Автоматизация и применение искусственного интеллекта в управлении перестраиваемыми фотонными цепями также станет мощным инструментом для повышения гибкости и интеллектуальности оптических сетей.
Реализация комплексных, многофункциональных и программируемых фотонных процессоров на основе кремниевых платформ откроет новые горизонты в области сверхскоростных вычислений, защищенных коммуникаций, квантовых технологий и фотонных нейронных сетей. Суммируя, силиконовые перестраиваемые и программируемые полнооптические чипы представляют собой важнейший шаг в эволюции современных телекоммуникационных и вычислительных систем, позволяя сочетать высокую скорость, низкие потери и масштабируемую архитектуру. На данный момент достигнуты впечатляющие результаты по снижению потерь, увеличению коэффициентов нелинейных преобразований и интеграции тысяч компонентов на одном кристалле. Уже сегодня эти технологии демонстрируют потенциал для внедрения в коммерческие системы и дальнейшего развития индустрии высокоскоростных оптических решений.
