Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

Фотонные Photonic интегральные схемы integrated circuits

П.О.Якушенков, магистрант P.O.Yakushenkov, graduate student of Moscow НИУ "Московский физико-технический институт" Institute of Physics and Technics

Вычислительная техника началась с машины Computers starts with Turing machines. Since Тьюринга. С тех пор она развивалась: большие then, it has evolved: large vacuum tube computers, ламповые ЭВМ, полупроводниковая транзисторная ’s , integrated электроника, интегральные схемы. В настоящее circuits. Currently, integrated silicon electronics has время интегральная кремниевая электроника reached its limit (10 GHz), and for a long time it is time достигла своего предела (10 ГГц), и давно to move on . The report focuses on photonic наступила пора переходить на фотонику. В статье integrated circuits, components of the photonics с учетом достоинств фотонных интегральных element base, already existing and future developing схем рассматриваются уже существующие devices and shows the advantage of photonics. Also и перспективные схемы на их основе, а также some variants of optical are discussed. некоторые варианты построения оптических транзисторов. Introduction In devices related to modern photonics, the Введение carrier is an electromagnetic wave of the optical range, В устройствах современной фотоники носите- which can be modulated at a much higher rate than лем сигнала служит волна оптического или in the radio range. As in traditional radio electronics, ИК-диапазона электромагнитного спектра. Про- the photonic element base has components such as цедуру ее модуляции можно производить с гораздо a generator (most often it is a fiber or semiconductor большей скоростью, чем в радиодиапазоне. Как ); amplifier; connection lines, which can be и в традиционной радиоэлектронике, элементная waveguides; also photo detectors for converting база фотоники имеет такие же компоненты, как an optical signal into an electrical signal. For the генератор (наиболее часто им является волокон- construction of optical calculating machines we need ный или полупроводниковый лазер), усилитель, a logical element, with the oportunity to realize a tact соединительные линии, которыми могут служить (to change the state, when necessary, for example, волноводы, а также фотоприемники для преоб- write 1, read 1, delete 1, write 0, read 0, delete 0). разования оптического сигнала в электрический. Для построения оптической вычислительной тех- Advantages of photonics ники необходимы логические элементы, обла- The technology of creating silicon integrated дающие возможностью реализовать такт (менять calculating elements and circuits with very small состояние по необходимости, например: записать dimensions and high information processing speeds 1, считать 1, стереть 1, записать 0, считать 0, сте- has approached a certain limit. This explains the реть 0). interest in photonic integrated circuits, on the basis of which it is possible to create THz calculating Преимущества фотоники machines [1, 2]. Технология создания кремниевых интеграль- Let’s tell about the processing speed limits of the ных вычислительных элементов и схем с очень modern electronics circuits, where the logical element малыми размерами и большими скоростями обра- is a semiconductor silicon transistor. The maximum ботки информации приблизилась к определен- operation frequency determined the minimum time, ному пределу. Отсюда понятен интерес к фотон- which transistor needs to pass from one state to ным интегральным схемам, на основе которых another, for this, the gate capacitance per channel – возможно создать терагерцевую вычислительную Cgс must be recharged, but it is limited by the time, технику [1, 2]. that an needs to go throw the gate dielectric, Целесообразно напомнить о причинах ограни- it means, that the maximum frequency is чения быстродействия современных электронных ω = ≈100 GHz (v – electron’s speed, L – length of gate v/L

58 фотоника № 8 / 68 / 2017 DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.58.67 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

схем, где логическим элементом служит полупро- водниковый транзистор. Максимальная тактовая частота определяется минимальным временем, Логический необходимым для того, чтобы транзистор перешел элемент Логический из одного состояния в другое. То есть максималь- элемент ная тактовая частота определяется как ω = , где Логический Логический v – скорость электрона, L – толщина подзатворногоv/L элемент элемент Логический диэлектрика. При v = 10 000 м/c и L = 100 нм на тран- элемент зисторе можно получать значения не Логический более 100 ГГЦ. элемент При использовании металлического волновода с учетом теплового и дробового шумов, величина которых пропорциональна частоте, для надежной Обратная связь передачи сигнала отношение сигнал/шум мощ- ностей должно быть не меньше 20. Но тогда макси- Рис.1. Распараллеливание вычислений мальная частота передачи составит ~10 ГГц. Даже Fig. 1. Parallelize calculations если распараллелить вычисления по логическим цепочкам (рис.1) и параллельные каналы муль- типлексировать в обратную связь, ее пропускная dielectric), so it is the possible maximum of this способность должна все равно превосходить сумму transistor. пропускных способностей параллельных каналов, When using a metal waveguide thermal and shot чтобы эта связь успела отработать. Так например, noise, the magnitude of which is proportional to в настоящее время модернизируют Интернет- the frequency, the signal-to-noise ratio should be соединения, мультиплексируя их в оптоволокно, no less than 20 for reliable signal transmission, but которое позволяет передавать сигнал на длине then the maximum transmission frequency will волны ~1 мкм, что соответствует частотам ~1 ТГц be ~10 GHz. So, even we parallelize calculations to и увеличивает количество передаваемой инфор- different logical chains (Fig. 1), the parallel channels мации в секунду более чем в 1 000 раз. must be multiplexed to the feedback, throughput Замена металлических волноводов в вычис- of which must be more, than throughputs of the лительной технике оптоволокном и использова- parallel channels, to make the feedback have time ние в качестве логического элемента оптического to work. Such way, for example, now the internet транзистора, способного работать на терагерце- connections are being multiplexed to the optical вых частотах, несет в себе несколько преимуществ. fiber, which gives an opportunity for transmission Во-первых, позволяет достичь как минимум на signal on the wave near micron, which accords the три порядка большую скорость обработки и пере- frequency near THz. It increases the volume of the дачи данных. Во-вторых, обеспечивает помехоза- transmitted information per second more than 1 000 щищенность по отношению от внешних радиопо- times. мех. В-третьих, позволяет осуществить передачу If we exchange metal waveguides to optical fiber по одному волокну одновременно нескольких мод. in computers and use an , which В-четвертых, дает преимущество в КПД и в коли- can work with THz frequency, so the photonics will чествах операций/джоуль. give:1) an opportunity to get as minimum, more than В качестве волноводов многие предлагают 3 order speed of data processing and transmission; 2) использовать плазмонные волноводы из-за того, immunity against external radio interference; 3) an что поверхностные плазмоны могут передавать opportunity to transmit several modes through one сигнал по волноводу с размером, меньшим длины fiber; 4) photonics can give an advantage in efficiency волны. Однако такой сигнал имеет сильное зату- and the number of operations per joule. хание, и при передаче его на значительное рас- As waveguides, many offer plasmonic waveguides, стояние необходимо применить усиление по всему because surface plasmons can transmit a signal throw каналу [3], что делает такую замену невыгодной. a channel, smaller wavelength. But because of much Поэтому рентабельными могут стать плазмонные loss a channel need gain [8], which is not profitable. межсоединения и разветвители. Также на плазмо- So, profitable could be plasmonic interconnects and нах можно делать хорошие нанолазеры, совмещен- splitters. Also good nanolasers could be done on ные с КМОП-технологией. plasmons, using Si-technology.

Photonics № 8 / 68 / 2017 59 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

Возможные варианты реализации оптического транзистора Probe Probe Control laser Специалисты разработали несколько вариантов laser laser реализации оптического транзистора для терагер- цевой вычислительной техники: Atom • полупроводниковые транзисторы на квантовых Cavity Atom Cavity точках, например на базе InP; a b • одноатомные транзисторы; Рис.2. Одноатомный транзистор • микрооптические интерференционные эле- Fig. 2. Single atom transistor менты, основанные на эффектах нелинейной оптики, например на эффекте Керра; • основанные на магнитооптических эффектах; The variants of optical transistors • основанные на фотонных кристаллах с нанодо- There are several variants to realize the most important бавками Ag и Au. thing for THz computers – an optical transistor: Недавно немецкие исследователи из института • semiconductor transistors on quantum dots, for Макса Планка [4] поместили атом рубидия в кон- example InP; струкцию между двумя тонкими зеркалами, нахо- • single atom transistors; дящимися на расстоянии полмиллиметра друг • on the micro optical elements using interference от друга. Затем они направили лазер на данную or the Kerr effect; конструкцию, настроив его так, чтобы атом начал • using magneto optical effects; отражать свет. Затем направили на атом второй • photonic crystals with nanoadditives of Ag and Au. управляющий луч лазера с иной частотой излу- For example, not a long time ago, German scientists чения под прямым углом к первому и настроили from Max Plank institute [9] of quantum put его так, чтобы создать условия прозрачности для the Rubidium atom between two thin mirrors located прохождения излучения первого лазера через кон- at a distance of half a millimeter of each other. струкцию (рис.2). Таким образом, система получила Then they directed a laser beam on the construction, два состояния – прозрачное и непрозрачное, по ана- tuning it so that the atom began to reflect . логии с открытым и закрытым состоянием класси- Then directed to the atom the second control laser ческого транзистора. Подобный квантово-механи- beam another frequency at right angle to the first ческий транзистор (туннелированный транзистор and tuned it so as to create transparent conditions с двойным электронным слоем, Double Electron Layer for the passage through the construction the first Tunneling Transistor, DELTT) был разработан коман- laser beam (Fig. 2). So, the system started to have the дой Sandia в лаборатории Департамента энергии two stages – transparent and opaque, like open and (DOE). По данным Sandia устройство в состоянии close stages of a classical transistor. The quantum исполнять триллион операций в секунду, т. е. в 10 mechanical transistor, like this (Tunneled transistor раз быстрее самых совершенных транзисторных with a double electronic layer, Double Electron Layer схем, используемых в настоящее время. Tunneling Transistor, DELTT) was developed by a Можно построить переключатель на волоконном team of Sandia Laboratory in Department of Energy или плазмонном усилителе, однако из-за инертно- сти активной среды скорости переключения будут порядка МГц.

Другой вариант – это транзисторы на GaInPAs [5], Электрод (рис.3–5), которые производятся такими зарубеж- ными компаниями, как Oclaro и aXenic, например модулятор типа Маха-Цендера, который делается ЭлектродВV олновод

также на ниобате лития или на Si : SiO2 (рис.6–8) с кольцевым резонатором [6]. Электрод Перспективный вариант оптического транзи- стора может использовать переключение намагни- ченности в ферромагнетиках при взаимодействии Рис.3. Электорооптический модулятор типа различных структур с фемтосекундными импуль- Маха-Цендера сами лазерного излучения [7, 8] (рис.9). Ферромаг- Fig. 3. Electro-optical Mach-Zahnder modulator нетиками могут быть MnFe, TmFeO3, FeBO3 или

60 фотоника № 8 / 68 / 2017 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

SGDBR Laser µm Waveguide pRegion  ×  nm Gain Mirror Input Output TWEAMs SOA Mirror Phase Abs.

λ λ pRegion nRegion

Resistor High Power Signal SOA Capacitor SOA Monitor Slab Microring Resonator QWpin nm Tall  µm Diameter

Рис.4. Интегральная схема с модулятором Рис.6. Электрооптический модулятор на кремнии с коль- Маха-Цендера цевым резонатором Fig. 4. Integrated circuit with Mach-Zahnder modulator Fig. 6. Electro-optical silicon modulator with ring resonator

на GdFeCo (рис.10). Системы на этих материалах (DOE). According Sandia, the device is able to perform требуют большой мощности, поэтому в настоящее a trillion operations per second, that is 10 times faster время ведутся разработки по маломощному пере- than the most advanced transistor circuits currently ключению на феррите граната [9]. in use. Этот эффект аналогичен эффекту переключе- It is possible to build a switching on fiber or ния намагниченности в спин-вентильных струк- plasmonic amplifier, but because of inertness of the турах током (рис.11), который описывается урав- active medium the speeds of switching would be нением Ландау-Лившица-Гильберта с префактором ~MHz. спиновой эффективности передачи вращательного Another variant of optical transistors is transistors момента Слончевского-Берже [6]: on GaInPAs [3], which are produced by such companies as Oclaro and aXenic, for example a Mach- Zahnder modulator (Fig. 3–5), which is produced also ∂ α ∂ ⎡ ⎤ M = −γ × + × M + γ ⎣ × × ⎦ , on lithium niobate. Or on Si: SiO2 [4] with a ring ∂ [M Heff ] [M ∂ ] IG M [e M] t M t z resonator (Fig. 6–8). The most perspective variant of an optical transistor ! где М – намагниченность; ток = ; магнит- is switching a magnetization in ferromagnetics by the I 2 J F interaction of different structures with femtosecond δ 2et M ное поле = − E = 2K ( ) ; γ, α и G – константы. laser pulses (Fig.9). For example on MnFe, TmFeO3, Heff δ 2 ez ezM M M FeBO3 or on GdFeCo (Fig. 10), however, these materials need high power, now is being developed low power on ferrite garnet [7].

++ p++  InP p  InGaAs contact ++ p  InP p++  InGaAs absorber Through Port Slab Drop Port InP collector

n  InGaAsP WG n+ n+ Left Right + n  InP Cavity Cavity n++  InGaAs or n+ p+ p+ n+ n+  InP InGaAsP contact Semiinsulating InP substrate n+ n+

Input Port  µm Рис.5. Топологические слои в модуляторе Маха-Цендера на интегральной схеме Рис.7. Соединения модуляторов на кремнии с кольцевым Fig. 5. The Topological layers of Mach-Zahnder modulator on резонатором. integrated circuit Fig. 7. Connections of modulators with ring resonator

Photonics № 8 / 68 / 2017 61 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

M×Hbias]

Hbias

Initial State Final State

Crystalline Sillicon Laser Pulse

Рис.8. Оптическая шина данных из кремниевых модуля- Рис.9. Обобщенная структурная схема переключения торов в серверах Google намагниченности [5] Fig. 8. Optical data bus with silicon modulators in servers of Fig. 9. The structure scheme of the switching of Google magnetization [5]

При переключении намагниченности светом There is such effect, as reversing in a reproducible (рис.12) поле лазерного излучения δHа поворачи- manner magnetization by single circularly polarized вает намагниченность М [9]: laser pulse, without any applied magnetic field. This is fully optical ultra fast switching. There is such memory on ferromagnetic domens of spin-switching ∂ α ∂ M = −γ × + = −γ × + × M . structures (Fig. 11), which reverse their magnetization ∂ [M (Heff Ha)] [M Heff ] [M ∂ ] t M t by current (by electron’s spin). So the same effect we can use by ’s spin, it also is described by Например, существует вариант, когда для Landau-Livshiz-Hilbert equation [6]: реализации оптического переключателя исполь- зуют эффект переключения намагниченности ∂ α ∂ ⎡ ⎤ ферромагнетиков с помощью лазерных импуль- M = −γ × + × M + γ ⎣ × × ⎦ , ∂ [M Heff ] [M ∂ ] IG M [e M] сов фемтосекундной длительности. Это может t M t z быть электрооптический модулятор типа Маха- ! Цендера, он работает, меняя оптический путь where М – magnetization, current = , I 2 J поля в волноводе, меняя показатель преломле- F δ 2et M ния в одной из ветвей волновода, из-за чего magnetic field = − E = 2K ( ) , γ, α and Heff δ 2 ez ezM на выходе лучи с различными фазами интер- G – constants. M M ферируют друг с другом. Вместо электродов можно нане- сти магнитные пленки и, пере- ключая намагниченность , в них излучением из другого ''up''

волновода, моделировать пока- s , затель преломления внешним M SiN   нм магнитным полем. GdFeCo   нм  Перспективные SiN  нм AlTi  или  нм ,

приборы Magnetization, M/M Компоненты элементной базы Float glass ''down'' фотоники необходимы для реа- or SiN membrane , лизации оптической вычисли- тельной техники, для фотонных      Field, kOe аналого-цифровых преобразова- телей (АЦП) (рис.13) и для соз- Рис.10. Структура на GdFeCo и график изменения намагниченности дания процессоров, способных Fig. 10. Structure of GdFeCo and the changing of magnetization умножать вектор на матрицу.

62 фотоника № 8 / 68 / 2017 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

z δHa M

υ H'eff

tF x

M

Mp

J

Рис.11. Спин-вентельная структура Рис.12. Переключение намагниченности светом Fig. 11. Spin-switching structure Fig. 12. Switching magnetization by light

В конце 90-х годов прошлого века велись When we switch the magnetization using light работы по созданию интегрального модуля (Fig. 12), the field of the laser pulse δHа turns the оптического компьютера с логической magnetization М [7]: матрично-тензорной основой, назван- ного HPOC (High Performance Optoelectronic ∂ α ∂ Communication) [4], (рис.14). В устройстве пла- M = −γ × + = −γ × + × M . ∂ [M (Heff Ha)] [M Heff ] [M ∂ ] нировалось использовать входную матрицу t M t VCSEL-лазеров (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser), соединенную планарными волново- For example, one variant of realizing the optical дами и обычной оптикой с матрицами пере- switching, using the magnetization switching by ключения на основе дифракционных опти- the femtosecond laser pulses in ferromagnetics ческих элементов. Выходная система должна can be an electro optical Mach-Zehnder modulator, состоять из матрицы лавинных фотодиодов, it works, changing the optical path of the field in совмещенной с матрицей вертикально-излуча- the waveguide, changing the refractive index in ющих диодов. one of the branches of the waveguide by voltage,

Дискретизируемый Усилитель сигнал, v t

Подложка Фотоприемник

+V „ ‚V „‡

Лазерный луч, „‡„‡ частота повторения импульсов  Мгц Электрод „‡„‡„‡„‡

Усилитель Компарато𠄇„‡„‡„‡„‡„‡„‡„‡ Волновод, сформированный диффузией титана Рис.13. Фотонный АЦП Fig. 13. Photonic ADC

Photonics № 8 / 68 / 2017 63 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

Опытные образцы показали производитель- ность 4.096 Тб ∙ с–1, а предварительные оценки a × x Оптические показывали, что данная система способна развить датчкики 15 скорость 10 операций в секунду с энергией менее a Источники a × x 1 фДж на одно переключение. По ряду причин эти a света работы были прекращены. В настоящее время x a a y a × x фирма Opticomp Corporation разработала новый x a x интегральный оптический элемент, состоящий  a a y из матрицы VCSEL-лазеров и фотодетекторов, сое- a диненных волноводом. В компании планируют a y использовать данные устройства как для обра- y = a x + a x + a x ботки информации, так и для создания сверхбы- i i  i  i  i = , ,  стрых переключателей в сверхплотных волокон- ных линиях связи. Рис.15. Принцип работы ядра VMM Оптический процессор Enlight256 (рис.16, 17) Fig. 15. The principle of VMM core является гибридным: в нем меняется только ядро, а все остальные элементы остаются электриче- скими. По принципу действия Enlight256 явля- so the output light interferes with different ется аналоговым оптическим вычислительным phases (or with the same phase without voltage). устройством. Аппаратно он представляет собой We can use magnetic films instead of electrodes, развитую гибридную цифро-аналоговую систему, and use the magnetic field, instead of electric содержащую как оптические узлы, так и необхо- field, for the index of refraction modulation. So димые в инженерной практике компьютерные using the one optical fiber for index of refraction узлы (например популярную в цифровой технике modulation by magnetic field, we can modulate для встраиваемых применений реализацию вну- the light field in the other optical fiber, which трисистемной отладки). gives an optical-optic’s modulation – fully optical Ядро процессора Enlight256 оптическое, а вход- switching. ная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256-ти VCSEL- Perspective devices лазеров, пространственного модулятора света, The components of the photonics element base are набора линз и приемников излучения, образу- necessary for the realization of optical calculating ющих оптическую матрицу VMM (Vector-Matrix machines, which can be built on the basis of lithium Multiplication). Матрица конвертирует электри- niobate (waveguides can be created by a femtosecond ческую информацию в свет, затем производит laser), for photon analog-to-digital converters (ADC, необходимые преобразования этой информации, направляя свет через программируемую внутрен- нюю оптику. Выходное излучение регистрируется Optical VectorMatrix Multiplier EnLight , Q /  приемниками и преобразуется снова в электриче- ский сигнал. На рис.15 приведена схема работы ядра этого процессора.

Внутри его "вычислительного ядра" нахо- Silicon Vector Porocessing Unit дится параллельная счетная машина со специ- ализированной архитектурой, оптимальной для выполнения задачи умножения матрицы на век- тор. За один такт длительностью 8 нс процессор Enlight256 способен перемножить вектор из 256 Memory элементов на матрицу размерностью 256 × 256. Раз- работчики Lenslet ограничили диапазон значе- ний элементов вектора и матрицы числом 256, соответствующим традиционным 8-битным EnLight Alpha System POC, March  целым числам. Таким образом, производитель- Рис.16. Enlight 256 на интегральной схеме 12 ность процессора Enlight256 составляет 8 ∙ 10 опе- Fig. 16. Enlight 256 on the integrated circuit раций в секунду: за один такт (8 нс) процессор

64 фотоника № 8 / 68 / 2017 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

Fig. 13), and for creating processors capable of multiplying a vector by a matrix. In the late 90-es of the last century there were workings on the creation of an integral module of the optical computer with a logical matrix- tensor foundation called HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) [9], (Fig. 14). The Рис.17. Процессор Enlight 256 device would be used input matrix of VCSEL Fig. 17. Processor Enlight 256 (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser – Surface Emitting Laser Vertical Cavity) connected planar waveguides and conventional optics with switching умножает 256-байтный вектор на 256 × 256-байт- matrixes based on diffractive optical elements, ную матрицу. Каждый элемент входного вектора and an output system consisting of an array of проектируется на столбец матрицы. Каждый ряд avalanche photodiodes, combined with a matrix of матрицы проектируется на один детектор в век- vertically emitting . Prototypes have shown торе результата (вывода). Программирование productivity 4.096 TB/s, and estimates indicate оптического цифрового сигнального процессора that the system is able to develop a speed of 1015 заключается в изменении значений пропускания operations per second with an energy of less than 1 fJ ячеек пространственного модулятора. Загрузка per switch. However, due to the several reasons work приложения (или данных внутри отдельного при- was stopped. Currently the company "Opticomp ложения) осуществляется путем замены значе- Corporation" has developed a new integrated optical ний матрицы в пространственном модуляторе element, consisting of a matrix of VCSEL lasers and (рис.18). photo detectors connected waveguide, and plans to Оптическая матрица VMM состоит из трех use these devices, how to process information, and основных элементов: to create a super fast super dense fiber 1. Линейки из 256 полупроводниковых VCSEL- communication lines. лазеров, которые представляются как вектор, The optical processor Enlight256 (Fig. 16,17) is a состоящий из 256 элементов, и являются одним hybrid. It only changes the core, and everything из "регистров" оптического арифметического else remains electric. It is based on the principle логического устройства, каждый элемент кото- of operation of an analog device, рого – это число разрядностью 8 бит. and it is a developed hybrid digital-analog system, 2. Управляющее световым потоком интегрально- which contains both optical nodes and computer оптическое устройство на основе GaAs/GaAlAs nodes necessary in engineering practice (for example, полупроводниковых структур с квантовыми the implementation of in-system debugging popular ямами (Multiple ). Устройство in digital technology for embedded applications). состоит из матрицы 256 × 256 пространствен- The core of the Enlight256 processor is optical, and ных модуляторов, работающих на отражение. the input and output information is presented in 3. Линейки из 256 фотоприемников излучения, electronic form. The core consists of 256 VCSEL lasers, которые интегрированы в массив аналогово- a spatial light modulator, a set of lenses and radiation

Photonics № 8 / 68 / 2017 65 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

receivers that form the Vector-Matrix Multiplication (VMM) matrix, which converts electrical information into light, then makes the necessary transformations of this information, directing light through a programmable internal Optics. The output radiation is registered by the receivers and converted again into an electrical signal. In Fig. 15 is a diagram of the operation of the core of this processor. Inside its "calculational core," there is a parallel counting machine with a specialized architecture, optimal for performing the task of multiplying the Рис.18. Пространственный модулятор Ablaze matrix by a vector. For one clock, 8 ns duration, the Fig.18. The spatial modulator Ablaze Enlight256 processor is able to multiply a vector of 256 elements into a 256 × 256 matrix. Lenslet developers have limited the range of values ​​of vector and matrix светового преобразования (Analog to Digital elements to 256, corresponding to traditional 8-bit Converters). integers. Thus, the performance of the Enlight256 EnLight256 уже сейчас используется для реше- processor is 8 ∙ 1012 operations per second: for one ния задач, требующих высокой производи- clock cycle (8 ns) the processor multiplies the 256- тельности, в частности, один процессор такого byte vector by 256 × 256-byte matrix. Each element типа способен в реальном времени обрабаты- of the input vector is projected onto the column вать до 15 видеоканалов стандарта HDTV. Он of the matrix. Each row of the matrix is ​​projected может использоваться для распознавания голоса, onto one detector in the result (output) vector. The человеческих лиц, обработки изображений programming of the optical digital signal processor и т. д. Прибор идеально подходит для примене- consists in changing the transmission values ​​of the ния в военных радарах высокого разрешения, cells of the spatial modulator. Loading an application так как способен обрабатывать данные от мас- (or data inside a separate application) is done by сивов антенн. Кроме того, размеры EnLight256 replacing the matrix values ​​in the spatial modulator (15 × 15 × 7 см3) позволяют размещать его на транс- (Fig. 18). портных средствах. The optical matrix of VMM consists of three main elements: Заключение 1. Line of the 256 semiconductor VCSEL lasers, which Помимо оптического транзистора, который сей- are represented as a vector, which consists of 256 час находится на стадии разработки, для реа- members and is one of the "registers" of the optical лизации оптической вычислительной техники arithmetic logic unit, each element of which – is можно использовать уже выпускаемые системы the number of 8 bits. и элементы – полупроводниковые и волоконные 2. Control the light flux integrated-optical device лазеры, усилители – волоконные или металли- based on GaAs / GaAlAs semiconductor quantum ческие шарики-резонаторы, а также сконструи- well structures (Multiple Quantum Well), which ровать волоконный конденсатор, который будет consists of a matrix of 256 × 256 spatial modulator работать так, как и электронный для перемен- working in reflection. ного сигнала. Эти приборы необходимы для соз- 3. Lines of light 256, which are дания новых систем – фотонных АЦП, процес- integrated in an array of analog-to-light conversion соров, способных умножать вектор на матрицу, (Analog to Digital Converters). и перспективной цифровой вычислительной EnLight256 is already used for applications техники, следующим поколением которой requiring high performance, such as a processor of должны стать фотонные интегральные схемы. the type capable of real-time process up to 15 video channels HDTV standard. It can be used for voice Литература recognition, human faces, and image processing, 1. Тамир Т. Волноводная оптоэлектроника. – М.: Мир, 1991. etc. The device is ideal for use in military radar high 2. Хансперджер Р. Интегральная оптика. – М.: Мир, 1985. resolution, as is able to process the data from the 3. Федянин Д. Ю. Усиление поверхностных плазмон-поляритонов в нано- array antennas. In addition, EnLight256 dimensions размерных волноводах. – М: Изд-во МФТИ, 2012. (15 × 15 × 7 cm3) allow you to place it on the vehicle.

66 фотоника № 8 / 68 / 2017 Оптические устройства и системы Optical Devices & Systems

4. Белов П.А., Беспалов В. Г., Васильев В. Н., Козлов С. А., Пав- Conclusion лов А. В., Симовский К. Р., Шполянский Ю. А. Оптические процес- Not only transistor, which is being developed, соры: достижения и новые идеи, в кн.: Проблемы когерентной и нели- also it is possible to use the existing systems нейной оптики/Под ред. И. П. Гурова и С. А. Козлова. – С-Пб.: НИУ ИТМО, and elements for realizing optical computers: 2006. generators – semiconductor and fiber lasers, 5. InP-Based Photonic Integrated Circuits, Goldren, 2008. amplifiers (fiber or metal-balls resonators), it’s also 6. Bergman K., Rumley S., Ophir N., Nikolova D. et al. for possible to construct a fiber capacitor, which will Exascale Systems. – OFC2014. work as an electronics’ one for an alternating signal. 7. A Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T. Femtosecond photomagnetic switching of These devices are necessary for the creation of new spins in ferromagnetic garnet films – Nature, 2005, № 45, 047402, p.1–4. systems – photonic ADCs, processors, which can 8. Попков А. Ф., Журавлев М. Н. Физические основы магнетизма и спи- multiply a vector by a matrix and for perspective нового транспорта в устройствах магнитной электроники – М.: ИПК digital calculating machines, the next generation of МИЭТ, 2014, с. 189–212. which should be photonic integrated circuits, which 9. Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T. Laser-induced magnetization dynamics and are developed faster every year and get more and more reversal in ferromagnetic alloys – IOP science, 2013, № 76 026501, p.1–35. investors.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ДЕНЬ СВЕТА

Международный день света Федерации. Исполнительный с формирующимся рынком. будет проходить ежегодно совет ЮНЕСКО приветствовал ▪▪ Демонстрация неразрывной 16 мая, в годовщину первой предложение, одобрил наме- связи между светом, искус- успешной демонстрации лазера рение провозгласить Между- ством и культурой, повы- в 1960 году физиком и инже- народный день света и реко- шение роли световых тех- нером Теодором Майманом. мендовал Генеральной нологий для сохранения А начиналось все с инициативы конференции ЮНЕСКО на 39-й культурного наследия. ЮНЕСКО провести в 2015 году сессии принять резолюцию ▪▪ Расширение международ- Международный год света и све- о ее провозглашении. Резолю- ного сотрудничества посред- товых технологий. Мероприятия ция Исполнительного совета ством использования единого привлекли внимание значитель- ЮНЕСКО была одобрена Гене- информационного ресурса ной аудитории и прошли в 147 ральной конференцией ЮНЕ- для координирования дея- странах мира. СКО на ее 39-й сессии 7 ноября тельности исследовательских Успех Международного года 2017 года. сообществ, правительствен- света со всей очевидностью Основными целями Междуна- ных учреждений, учебных показал, что провозглашение родного дня света являются: заведений, промышленных Международного Дня света ▪▪ Формирование в обществе и других партнеров. привело к повышению роли понимания того, как свет В состав Координационного световых технологий в науке и световые технологии затра- комитета Международного и технике, стимулировании гивают повседневную жизнь дня света входят представи- образования и совершенство- каждого человека и играют тели ЮНЕСКО, Американского вании качества жизни во всем центральную роль в развитии физического института, Аме- мире. глобального общества. риканского физического обще- Именно поэтому 19 сентября ▪▪ Наращивание образователь- ства, Европейского физического 2016 года, на 200-й сессии ЮНЕ- ного потенциала в светотех- общества, Международной ассо- СКО была принята резолюция, нической отрасли по всему циации дизайнеров освещения, поддерживающая Междуна- миру посредством привле- Международного центра тео- родный день света. Резолюция чения в профильные науч- ретической физики и многие была представлена Исполни- ные направления молодежи, другие. тельному совету ЮНЕСКО пред- с учетом гендерного баланса ставителями Ганы, Мексики, и особым вниманием к разви- Сайт Международного дня света: Новой Зеландии и Российской вающимся странам и странам www.lightday.org

Photonics № 8 / 68 / 2017 67