Więcej światła na krzem

Pod koniec lutego w "Nature" ukazał się artykuł pracowników Intela opisujący prototyp i zasadę działania urządzenia zdolnego przerywać strumień światła miliard razy na sekundę. Ten fakt został uznany za początek nowej ery w komputerach.

Urządzenie nosi nazwę modulatora. Moduluje, a praktycznie wzmacnia lub kasuje światło pochodzące z dwóch promieni składowych, uprzednio przesuniętych fazowo w kontrolowany sposób. Nam daje okazję do wyjaśnienia, jak została zbudowane i na czym polegają korzyści z tej nowinki i technologii, którą inauguruje.

Światło w murze

Fotonika od elektroniki różni się wykorzystaniem do transferu danych światła zamiast elektronów. Najważniejsza przewaga tego sposobu transmisji to znacznie większa wydajność. Światło nie tylko jest mniej tłumione niż miedź, ale w jednym włóknie może współistnieć wiele fal jednocześnie. Współczesny światłowód może transmitować w jednej nitce do 128 strumieni danych, wykorzystując do każdego inną długość fali. W dodatku światło ma ważne zalety: jest nieczułe na elektryczną interferencję i przenikanie, które degradują jakość sygnałów elektrycznych w gęsto upakowanych miedziowych obwodach.

Fotonika zajmuje się także konstrukcją urządzeń do komunikacji optycznej. Na tym polu spore osiągnięcia ma Intel, który specjalizuje się w fotonice krzemu.

„Silikonizacja” optyki ma przede wszystkim znaczenie ekonomiczne. Dzięki niej elementy optyczne mogą być produkowane razem ze swoimi elektronicznymi partnerami na tych samych liniach produkcyjnych i za pomocą tej samej skalowalnej i coraz subtelniejszej technologii. Ma to kapitalne znaczenie, gdyż dotychczas nie tyle techniczne, ale raczej ekonomiczne bariery opóźniały upowszechnienie optyki.

Spojrzenie przez płytkę krzemową

Światło, które widzimy, jest tylko małym fragmentem szerokiego pasma fal elektromagnetycznych. Na jednym końcu tęczy są fale czerwone, na przeciwnym – fioletowe. Za fioletem, w kierunku fal krótszych jest zakres ultrafioletowy, po przeciwnej stronie części widzialnej znajduje się podczerwień. Niedaleko za kolorem czerwonym, w stronę fal dłuższych zaczyna się pasmo, w którym krzem staje się przezroczysty. Wąski fragment tego pasma, w którym także inne elementy optyczne mają pożądane właściwości, a konkretnie fale o długości 1540 nm, zostały wybrane do zastosowania w modulatorze.

Kilka niezbędnych drobiazgów

Źródłem światła jest, oczywiście laser, ale dość przeciętnej jakości. Z tego powodu światło musi być oczyszczone przez ECL (&external cavity laser&), system siatek, który fale pożądanej długości odbija, a pozostałe przepuszcza.

Starsze rozwiązania wymagały mechanicznego dostrojenia. Zmiana odległości między siatkami powodowała odbijanie fali innego koloru. W 2002 roku w Intelu opracowano system, który tego nie wymaga. Dostrojenie następuje przez zmianę optycznych właściwości kanałów krzemowych po ich odpowiednim podgrzaniu. Innym pożytecznym drobiazgiem okazał się silikonowy stożek, w którym zmienia się średnica toru świetlnego z 2-3 mikrometrów w krzemie do 8-10 w światłowodach.

Rozwiązać należało także problem powrotnej zamiany sygnału optycznego na elektryczny w końcowej części toru. Krzemowe fotokomórki są znane od dawna, tyle że przygotowane do pracy w świetle widzialnym. Niestety, podczerwień przepuszczają, więc trzeba było za pomocą domieszek germanu przenieść pasmo pochłaniania. Dopiero tak zmodyfikowane komórki mogą być użyte do pomiaru siły światła podczerwonego.

Mruganie światłem

Najprostszym sposobem kodowania strumienia światła jest jego włączanie i wyłączanie. Najprostsze byłoby bardzo szybkie włączanie i wyłączanie lasera. Niestety, podczas rozgrzewania lasera zmienia się długość fali i cały system się rozstraja. Fotograficzna migawka też się nie przyda z powodu mechanizmu niezdolnego do szybszego ruchu. Kolejny sposób polega na wstrzykiwaniu ładunku w krzemowe światłowody. Urządzenie okazało się wydajne, ale pomimo braku części ruchomych nie udało się osiągnąć wyższej częstotliwości 20 MHz. To za mało nawet na potrzeby sieci domowych, nie mówiąc o komercyjnych.

Anatomia modulatora

Do szybszego mrugania światłem wykorzystano układ znany jako asymetryczny interferometr Macha-Zendera. Pomysł wykorzystuje falowy charakter światła, które może się na siebie nakładać w fazie zgodnej, przeciwnej albo innej. W pierwszym przypadku mamy wzmocnienie, w drugim wygaszenie. Oczywiście taka inżynieria udaje się tylko w świetle monochromatycznym i spolaryzowanym. Po wyjściu z lasera promień rozdziela się na dwie drogi i ponownie łączy po przejściu przez element, w którym reguluje się optyczny współczynnik załamania przyłożonym napięciem. Wzmocnienie lub wygaszenie zależy bezpośrednio od stosunku przesunięć fazowych w obu odnogach, a pośrednio od zmian napięcia sterującego w obu gałęziach.

Kluczowy dla powodzenia projektu jest zakres obsługiwanej częstotliwości. Wstrzykiwanie elektronów wystarczyło tylko do 20 MHz. Tym razem wykorzystano efekt pojemnościowy. Maksymalna częstotliwość zależy od rezystancji, a ta od stężenia domieszek w sąsiadujących ze sobą elementach krzemu typu n i p. Okazało się, że przesunięciem fazowym bardzo łatwo sterować. Co więcej, przyłożone napięcie działa równie efektywnie na przesunięcie fazowe od najwolniejszych zmian aż do 1 GHz. Warto dodać, że straty wynoszą 6,7 dB, które konstruktorzy mają zamiar poważnie zmniejszyć w następnych wersjach. Ważne jest, że modulatory zostały wykonane w tej samej technologii CMOS, której używa się do produkcji innych części elektronicznych.

Co dalej?

W materiałach Intela są już schematy układów składających się z kilku laserów, modulatorów, multipleksera wtłaczającego kilka strumieni do jednego światłowodu oraz demultipleksera i kilku fotodetektorów, od których zaczynają się kanały odbiorcze z drugiej strony, jednym słowem - układu do transmisji wielokolorowej, ale do jego realizacji jeszcze droga daleka. Plany obejmują przekonstruowanie modulatora, aby zredukować straty energii, ale także zmniejszenie wymiarów, co również ma obniżyć napięcie pracy i zmniejszyć rozpraszanie w wysokiej częstotliwości. Planuje się także nierówno rozłożyć domieszki, aby poprawić propagację światła.

Jednak do transmisji wielokanałowej potrzeba takiej samej infrastruktury dostosowanej do wielu długości fal. Tymczasem wszystkie informacje ograniczają się do jednej częstotliwości transmisji, około 1540 nm. Mamy więc w zasięgu ręki 1 GHz i nadzieję na więcej.

Kilka faktów z krzemowej fotoniki

Nazwa "fotonika" pochodzi od fotonu, który dla światła jest tym, czym elektron dla elektryczności. W dużym skrócie: fotonika zajmuje się przydatnością fotonów do przenoszenia informacji.

Ponieważ światło różnego koloru nie przeszkadza sobie wzajemnie, w jednym włóknie można utworzyć wiele kanałów do przesyłania informacji nośnikiem różniącym się barwą. To podobnie, jak w radiu czy kablówce, gdzie jest do wyboru wiele stacji, tyle że fale optyczne są miliony razy krótsze, więc transfer tą drogą może być zwielokrotniony miliony razy.

Teoretyczna wydajność jednej nitki włókna optycznego sięga 100 trylionów bitów na sekundę. Wystarczy na jednoczesną transmisję wszystkich rozmów telefonicznych prowadzonych na Ziemi w dowolniej chwili.

Krzem nie jest przezroczysty dla ludzkiego oka, ale przepuszcza nieco dłuższe fale z zakresu bliskiej podczerwieni. Ta przezroczystość pozwala na wytyczanie linii przebiegu promieni świetlnych wewnątrz krzemu.

Fotony i elektrony mogą oddziaływać na siebie, dzięki temu można je zmusić do współpracy. Wędrówka ładunków elektrycznych towarzysząca przełączaniu tranzystora może być wykorzystana do zmiany własności optycznych krzemu. I odwrotnie, są układy półprzewodnikowe, w których padające światło generuje ładunek elektryczny. Są one wykorzystywane od baterii słonecznych po skanery i kamery cyfrowe.

Do elektrycznego połączenia dwóch obwodów elektrycznych wystarcza zwykłe zetknięcie ich ze sobą. W przypadku fotonów zakończenie włókna emitującego musi być precyzyjnie ustawione względem odbiornika. Z tego powodu złącza optyczne są trudne i kosztowne do wykonania. Ocenia się, że 1/3 do 2/3 kosztów budowy współczesnych elementów optycznych pochłaniają skomplikowane procedury wzajemnego osiowania ich końców. Integracja fotoniki z elektroniką w krzemie pozwoli na eliminację dużej części połączeń i wprowadzanie zewnętrznych linii światłowodowych do precyzyjnie wytrawionych kanalików, które zapewnią wystarczająco dokładne osiowanie.


Zobacz również