ОГРАНИЧЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ

Одна из характерных черт научно–технического прогресса – возросшие потребности в обработке, передаче и хранении информации. Широкополосность и двухмерность электромагнитных колебаний оптического диапазона, доступность визуальному восприятию, электрическая нейтральность фотонов наилучшим образом соответствуют обработке и передаче больших массивов информации.

Интегральная оптика возникла на стыке нескольких дисциплин: классической оптики, электродинамики, техники СВЧ, полупроводниковой электроники, квантовой электроники. К интегральной оптике относятся теоретические и экспериментальные вопросы распространения света по пленочным световодам, ввода и вывода излучения, генерирования света в миниатюрных интегрально–оптических элементах (полупроводниковыми и твердотельными лазерами), преобразования излучения нелинейными элементами, в том числе детекторами, модуляторами, умножителями, смесителями и т.п. Интегральная оптика должна предоставлять возможность совмещения ее схем с микроэлектроникой.

Основным элементом интегральной оптики является диэлектрический микроволновод, интегрированный с подложкой. Для преобразования электрических сигналов в оптические и оптических в электрические используются источники излучения и фотоприемники, которые вместе с микроволноводом образуют элементную базу интегральной оптики.

ОГРАНИЧЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Для того чтобы элементы интегральной оптики могли быть встроены в СБИС–системы по размерам, эффективности, потребляемой мощности, они должны быть совместимы с элементами интегральных схем. Пределы микроминиатюризации в интегральной оптике ограничены в первую очередь размерами микроволноводов – их форматом и длиной. Формат микроволновода ограничен снизу локализацией в нем электромагнитной волны, обусловленной конечной величиной длины волны излучения l. Электромагнитное излучение, распространяясь вдоль волновода, проникает за его границы, затухая при этом. При толщине волноводной пленки h эффективное сечение микроволновода . Следовательно, с уменьшением толщины волноводной пленки возрастает степень локализации излучения в микроволноводе. Но это происходит лишь до определенного предела, когда

, (1)

где n₂, n₃ – показатели преломления материалов волноводного слоя и подложки.

При условии, что h_eff значительно превосходит толщину волноводной пленки, излучение распространяется вдоль поверхности волноводного слоя и изоляция каналов – одно из важнейших свойств оптической связи в БИС — нарушается. В диапазоне длин волн 0,8–1,6 мкм показатели преломления для материалов микроэлектроники таковы, что минимальная эффективная толщина волновода удовлетворяет неравенству h_eff ³ 1 мкм. Это предел, который ограничивает степень микроминиатюризации формата (сечения) микроволновода.

Для связанных волноводов эффект переключения обусловлен распределенной связью. Распределенный характер взаимодействия ограничивает снизу длину линий связи L, величиной, необходимой для накопления эффекта, который сам по себе слаб. Длина связи, задаваемая соотношением

, (2)

где – коэффициент связи; d – расстояние между волноводами, d₀ – минимальное значение расстояния между волноводами (как правило d₀ равно ширине волновода). Длина связи зависит от типа устройства, от соотношений подводимой и потребляемой мощности, особенностей топологии и технологического разброса ее элементов. Типичные значения длины связи – 0,5–10 мм. Это и ограничивает ее применение во встроенной структуре БИС при L < 1 см.

Оптическая связь по волноводным линиям имеет свои ограничения и по быстродействию, скорости передачи информации. Этот аспект очень существен: оптическая связь в СБИС–системы вводится главным образом для исключения задержек в передаче сигнала, вносимой межсоединениями.

Групповая скорость электромагнитной волны в среде с коэффициентом преломления n больше единицы

, (3)

откуда на длине межсоединения L появляется задержка

, (4)

что для n » 3 дает t» 10 пс на 1 мм. Это на два порядка меньше, чем в случае межсоединений металлизацией.

Материалы, из которых изготовляются волноводы (стекла, полупроводники, электрооптические материалы), характеризуются определенной дисперсией, зависимостью коэффициента преломления от длины волны излучения, что приводит к зависимости величины групповой скорости от длины волны света. Источники излучения, применяемые в интегральной оптике, имеют, как правило, хотя и малую, но все же конечную ширину спектра Dl. В результате импульс, пройдя через такую линию связи, уширяется, размазывается, что адекватно сужению полосы пропускания или снижению скорости передачи информации.

Величина этого уширения связана с дисперсией

(5)

соотношением

. (6)

Для спектрального диапазона, используемого в интегральной оптике, 0,8–1,6 мкм, и применяемых в ней материалов дисперсия равна (10—20) пс/км нм. Отсюда следует, что на длинах L < 10 м и Dl = (2—10) нм сужением полосы пропускания канала связи можно пренебречь.

Таким образом, интегральную оптику можно рассматривать как перспективную технологию в микроэлектронике, дополняющую ее элементную базу в создании сверхбыстродействующих устройств и систем на интегральных схемах.