1. Место интегральной фотоники среди областей знания
Создание лазера. Фотоника. Интегральная полупроводниковая технология. Оптика. Научный синтез на пересечении областей знания.
В настоящий момент интегральная фотоника как область знания находится в стадии своего зарождения и фактически представляет собой результат синтеза достижений нескольких научных направлений, таких как полупроводниковая электроника, фотоника как наука о лазерах, классическая и волноводная оптика.
Во введении были рассмотрены основные этапы становления и развития полупроводниковой электроники: было отмечено, что полупроводниковая электроника к настоящему времени практически исчерпала свои технологические резервы для дальнейшего обеспечения экспоненциального роста производительности интегральных схем, но отработанные в течение десятилетий технологии могут стать основой для создания фотонных интегральных схем.
Другая научная область, от которой ведёт свою историю интегральная фотоника, связана с основными открытиями в классической оптике, распространении электромагнитных волн в различных средах, с созданием лазера и с дальнейшим развитием этого направления. Как известно, квантовый оптический генератор, или лазер, основанный на эйнштейновской концепции вынужденного излучения (1917 год) [16, 17] и квантовой теории вынужденного излучения Поля Дирака (1927 год) [16, 17], был создан в 1960 году Т. Мейманом [17]. В данном устройстве в качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина, а в качестве резонатора был использован резонатор Фабри-Перо. Изобретение показало принципиальную возможность получения когерентного излучения в оптическом диапазоне и положило начало лазерной технике как области знания. Впоследствии была показана принципиальная возможность создания лазеров на основе экзотермических газовых реакций (1961 год - Полани), оптического волокна (1961 – Снитцер, Хикс), полупроводниковых диодов (1962 год - Басов), газовой двухкомпонентной среды (1962 год – Уайт, Риджен), красителей (1971 год – Когельник, Шанк). Каждый из указанных типов лазеров обладал уникальными преимуществами и недостатками и впоследствии нашёл свою сферу применения. Так, газовые лазеры благодаря дешевизне и лёгкости эксплуатации нашли широкое применение как инструмент для промышленной резки и сварки металлов. Твердотельные лазеры прочно заняли своё место в качестве измерительных комплексов на подвижных системах вооружения, установках космического и метеорологического назначения, медицинских системах. Полупроводниковые лазеры – как сравнительно компактные установки потребительского и бытового назначения, а волоконные лазеры – для обеспечения передачи информации, как основа систем стабилизации и пространственной ориентации воздушного транспорта.
При всём многообразии типов лазеров, определяющую роль в становлении интегральной фотоники сыграло развитие лазеров на полупроводниковых диодах и лазеров на оптических волокнах. После изобретения в 1962 году Н.Г. Басовым лазера на арсениде галлия, работы над полупроводниковыми лазерами были продолжены Ж.И. Алфёровым, Г. Кромером и Р.Ф. Казариновым, которые сначала выдвинули идею (1963), а затем создали и рабочий образец лазера на основе двойных гетероструктур (1968). После этого, в 1976 году Дж. Гсиехом были созданы лазерные диоды на основе гетероструктур InGaAsP, а спустя ещё три года был создан поверхностно-излучающий лазерный диод (Х. Сода). Далее, в 1981 году Ф. Кояма и др. разработали лазерные диоды с распределённым отражателем Брэгга на основе структур GaInAsP / InP и, наконец, в 1996 году в качестве основы голубых лазерных диодов С. Накамурой был использован нитрид галлия. Все эти разработки, и особенно, лазеры на основе двойных гетероструктур, предложенных и внедрённых Ж.И. Алфёровым, наряду с полупроводниковыми интегральными схемами положили начало информационной революции семидесятых годов XX века [18]. Полупроводниковые лазеры внедрялись в качестве измерительных инструментов в системах вооружения, основах считывающих головок в системах считывания/воспроизведения компакт-дисков, а в сочетании с оптическим волокнами – и как ключевой элемент глобальной системы передачи информации, благодаря которому Интернет смог шагнуть за пределы научных и военных лабораторий, и на сегодняшний день доступен миллиардам жителей Земли.
Волоконные лазеры и оптические волокна, в свою очередь, ведут свою историю с XIX века, когда Джоном Тиндалем впервые был продемонстрирован принцип передачи света, характерный для волоконной оптики и основанный на явлении полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления [19, 20]. Следующей вехой данного направления на пути к интегральной фотонике стало изобретение в 1934 году инженером Норманом Р. Френчем оптической телефонной системы, в которой речевые сигналы передавались посредством света через стеклянные стержни [19]. Чуть более четверти века спустя, а именно в 1961 году упомянутые выше Снитцер и Хикс продемонстрировали передачу лазерного излучения по оптическому волокну, а в 1962 появились первые лазерные диоды: оставалось только преодолеть проблему затухания сигнала в оптическом волокне и объединить его с полупроводниковым лазером. Проблема затухания сигнала была решена в 1966 году Чарльзом Као и Джорджем Хокхамом путём создания оптического волокна с затуханием 20 дБ/км (сравнимо с коаксиальными кабелями); примерно в это же время окончательно состоялась конфигурация волоконного лазера (рис. 5) с блоком накачки (3) в виде лазерного диода, брэгговским резонатором (2) и участком активного волокна (1). При этом сами оптические волокна с низким коэффициентом затухания сигнала были поставлены в промышленное производство в 1970 году компанией Corning, но это уже были многомодовые волокна, в отличие от одномодового волокна Као и Хокхама.
Рисунок 5. Структурная схема волоконного лазера
Дальнейшие изыскания исследователей и инженеров в области создания оптических волноводов велись по направлениям уменьшения коэффициента затухания сигнала в волокне, повышением физической гибкости волокна, апробации волокон различного сечения (в наибольшей степени распространены волноводы круглого сечения, чуть менее - прямоугольного), поиском наиболее оптимального (с наименьшими потерями сигнала) сочленениями оптических волокон. Постепенно в оптике оформился специальный раздел, изучающий явления и процессы, которые возникают при взаимодействии электромагнитных волн и диэлектрических сред, вопросы распространения и затухания электромагнитных волн в таких средах, Фурье-оптику, оптику поляризации и другие аспекты в приложении к оптическим волноводам и волокнам [20, 21].
Планарные оптические волноводы или волноводы с прямоугольным поперечным сечением были отработаны после появления оптических волноводов с круглым поперечным сечением. При этом сама идея планарного диэлектрического волновода прорабатывалась начиная с 1910 г., а в 1965 году Андерсон совместно со своей группой создали планарные волноводы для инфракрасной части электромагнитного спектра [22, 23, 24]. С изобретением планарного волновода стало возможным формирование светопроводящих шин на поверхностях, в том числе, на печатных платах электронных и электронно-фотонных устройств, что сулило большие перспективы в интеграции вычислительно-информационных устройств, создание устройств на новых принципах.
В целом можно видеть, что в десятилетний промежуток между 1960 и 1970 годом произошло изобретение полупроводниковой интегральной схемы, различных видов лазеров и освоение в производстве оптоволокна. Эти изобретения как каждое в отдельности, так и использованные совместно, положили начало информационной революции и определили облик современного человеческого общества, а также заложили предпосылки к появлению интегральной фотоники, созданию фотонных интегральных схем. Эти предпосылки впервые были замечены и получили осмысление в 1969 в статье С. Миллера «Интегральная оптика: введение», опубликованной в «The Bell System Technical Journal» [25]. В данной работе также впервые в истории Миллер вводит понятия «интегральная оптика», «оптический интегральный процессор» и «оптическая интегральная схема» и описал основные особенности нового поколения устройств. В дальнейшем, с распространением в употреблении понятия «фотоника», на смену указанным понятиям пришли понятия «интегральная фотоника», «фотонный интегральный процессор» и «фотонная интегральная схема» [13].
Фактически, с появлением раздела интегральной фотоники, научное сообщество и общество в целом стали свидетелями объединения и синтеза основных научных и инженерных направлений, определивших современную культуру и облик техногенной цивилизации: лазерной техники, интегральной полупроводниковой электроники, волноводной техники и классической оптики. Так, от классической оптики новая наука унаследовала базовые принципы волновой и пучковой оптики, явления дифракции, интерференции, распространения электромагнитных волн в диэлектрических средах и их затухания, теорию поляризации света. Волноводная техника «поделилась» технологиями создания планарных волноводов, энергоэффективных сочленений волноводов, способами уменьшения потерь сигнала в волноводе. Интегральная полупроводниковая электроника становится на наших глазах технологической основой для построения фотонно-электронных и фотонных интегральных схем. И наконец, лазерная техника «добавляет» лазерные полупроводниковые диоды и лазеры на их основе, как источники когерентного излучения для питания фотонных интегральных схем.