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Silicon Photonics – Kapitel 1 [email protected]

Einführung

Silicon Photonics

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Information &Communication

Industrial Manufacture

LifeSciences

Metrology& Sensing

LightingDisplay

Photonics in modern life

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Photonics Electronics

SiliconPhotonics

Silicon photonics

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Evolution of microelectronics

SiliconPhotonics

SiliconPhotonics

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Technology vs Distance(aus: M. Paniccia, Integrated Photonics)

Costs aredrivingTrend 1 Photonische Integration

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Prognostics: Optical vs electrical

(aus: M. Paniccia, Integrated Photonics)

Trend 1 Photonische Integration Performanceis driving

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PerformanceKosten

• Steigerung Gewinn

• zusätzliche Funktionalität

• klassischer Kommunikationsmarkt

Trend 1 Photonische Integration

Massenmarkt für Photonik?

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Integrated photonics

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(Source: Intel)Exponential Growth

Trend 2 - IC-Technology

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Trend 2 - IC-Technology

• unsurpassed complexity

• unsurpassed functionality

• unsurpassed ubiquitious

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(aus: Technology Roadmap 2005)

→ Hierarchische Skalierung

Trend 2 – On chip interconnects

CPU-Querschnitt

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CPU Hotspots!

Physikalische Limits im Interconnect!→ Licht auf den IC

(aus: Z. Gaburro, Optical Interconnect)

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Silicon photonics - jobs

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Silicon on insulator (SOI) waveguides

4 µm SOIRib waveguides

1.4 µm SOIRib waveguides

Nanowires200-400 nm SOI

SiO2

Si

SiO2

SiSiO2

claddingncoren

Basic principle –total internal reflection

0claddingcore >−=Δ nnn

transparency condition: λ > 1.1µm typical: λ = 1.3 / 1.5 µm

Waveguiding on silicon

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Wellenleitertechnologie

E-beam litho Entwicklung

Ätzen Cladding

(nach: M. Lipson, Guiding, Modulating ,&Emitting Light on Silicon)

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Passive BauelementeKoppler

1x4 Multi-Moden-Koppler

X

II

Interferometer

Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur

-25

-20

-15

-10

-5

sign

al [d

B]

1533.01532.51532.01531.51531.01530.5

wavelength [nm]

TE

• Self-Imaging• Balance, Excess Loss• Toleranzen• Doppelbrechung

Filter-kurve

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GitterstrukturenBragg WL-Gitter

Einkoppelgitter

(aus: M. Lipson, Guiding, Modulating ,&Emitting Light on Silicon)

(aus: G. Roelkens et al. , Efficient SOIFiber Couplers)

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Photonische Kristalle – Slow Light

Lokaler Defekt

• Photonic band gap confinement

• Hohe Barriere

• Langes Trapping der Moden

(aus: P. Viktorovitch, ePIXnet WinterSchool 2006)

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Modulatoren(aus: A. Liu et al., High-speed optical modulation.., OE, 2007)

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Detektormaterial

Transparentes Substrat

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Detektoren im CMOS-Prozess

(aus: C. Gunn, CMOS Photonics forHigh-Speed Interconnects)

• Technologische Herausforderung

• Integrationskonzepte

• Performance

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Lasing

Begrenzende Mechanismen inSilizium

Indirekte Bandlücke:• niedrige Wahrscheinlichkeit strahlender Übergänge• Dominanz nichtstrahlenderRekombination• interne Quanteneffizienz ~ 10-6

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Band-structure engineering – Bandfaltung

Faltung der Brillouin-Zone anÜbergittern

• Gitterkonstante Lage = a• Übergitterperiode d = 5a/2

Zusätzliche Periodizität in Wachs-tumsrichtung

Resultat• Kleinere neue Brillouin-Zone inWachstumsrichtung• Direkte Bandlücke

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Raman-Laser

(down)

Stokes‘ peak

Raman-Spektrum von Silizium

phononsignalpump ωωω hhh +=Stimulierte Raman-Streuung

(2-Niveau-System)

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Hybrid integrierte Laser – optisch gepumpt

Simulation

Bauelement

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Photonics

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Das Interconnect-Problem – Delay

Totaler Delay setzt sich zusammen aus:

Interconnect + Gate Delay

Interconnect, Länge L,mit Repeatern

Ersatzschaltbild(Quelle: Banerjee)

RC-Delay des Interconnects

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Konzeptionelle Analyse – Optical Signaling & Clock

PrinzipielleSchaltung

Was muss opt. Interconnect leisten können?

Signaling - Kommunikation zwischen verschiedenen logischen Einheiten

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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

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Photonics ElectronicsSilicon

Photonics

Siliziumphotonik an der TU Berlin

• Integration mit Elektronik• Quantensprung in der Technologie

+ =

Gründung 2008Enge Kooperation seit 2007

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IHP Frankfurt (Oder)

• Founded 1983”Institut für Halbleiterphysik” of the Academy of Science

• 200mm pilot line

• 1000m2 cleanroom

• 0.13µm SiGe BiCMOS

• Prototyping shuttle service (multi-project wafers) via IHP or EUROPRACTICE

• professional design kit

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Organisatorisches

• Lehrveranstaltung zur Prüfung zugelassen

• Kontakt: [email protected]

• Aktuelle Neuigkeiten (z.B. terminlich) via E-Mail

• AB NÄCHSTE WOCHE im Raum E104

• möglich 14:15 – 15:45 Uhr

• oder 16:15 – 17:45 Uhr

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