Křemíková fotonická revoluce

11 Dub

Myšlenka přenosu dat rychlostí světla je stará – řečeno s trochou nadsázky – stejně jako novodobé dějiny fyziky. Chybělo prostě „nářadí“. Zdá se, že k něčemu podobnému se dostali velmi blízko vědci společnosti Intel Corporation.

Tento problém řeší řada špičkových vědeckých pracovišť v Evropě, na amerických univerzitách i výzkumníci v laboratořích předních světových firem. Vědci společnosti Intel Corporation dosáhli významného pokroku, když křemíkovými výrobními procesy vytvořili původní zařízení na způsob tranzistoru, které dokáže zakódovat data do světelného paprsku. Schopnost vyrobit rychlý fotonický modulátor (na principu optického vlákna) ze standardního křemíku by mohla umožnit výrobu levných, vysoce propustných optických propojení mezi osobními počítači, servery a dalšími elektronickými zařízeními a nakonec i uvnitř počítačů. V Intelu se zabývají výzkumem křemíkové fotoniky zhruba deset let. Podle práce publikované v únorovém vydání amerického časopisu Nature rozdělili výzkumníci společnosti Intel paprsek světla procházející křemíkem na dva samostatné paprsky a potom pomocí původního zařízení na způsob tranzistoru zasáhli jeden paprsek elektrickým nábojem, který vyvolal fázový posun. Fázový posun mezi oběma paprsky při jejich opětovném spojení způsobí, že se světlo na výstupu z čipu rozsvěcí a zhasíná frekvencí jeden gigahertz (jedna miliarda bitů za sekundu), tedy padesátkrát rychleji, než se dosud s křemíkem podařilo. Vzorec rozsvěcení a zhasínání světla lze přeložit na jedničky a nuly pro přenos dat.

Levné a rychlé


„Je to významný krok směrem k vytvoření optických zařízení, která přenášejí data uvnitř počítače rychlostí světla,“ řekl Patrick Gelsinger, senior-viceprezident společnosti a technologický ředitel společnosti Intel. „Je to přesně takový typ průlomu, který postupem času zasáhne celé odvětví a umožní vyvinout nová zařízení a aplikace. Mohl by zvýšit rychlost internetu, umožnit výrobu mnohem výkonnějších počítačů a zařízení, která vyžadují vysokou datovou propustnost, například displejů s mimořádně vysokým rozlišením nebo systémů vizuálního rozpoznávání,“ dodal Gelsinger. Pro výrobu komerčních optických zařízení se zatím používají především drahé a exotické materiály (většinou sloučeniny india, gallia, lithia, arsenu atd.), které vyžadují složité výrobní postupy. To omezuje jejich uplatnění pouze na zvláštní trhy jako rozlehlé sítě a telekomunikace. To, že se společnosti Intel podařilo vyrobit rychlý optický modulátor založený na křemíku a s výkonem vyšším než 1 GHz, svědčí o použitelnosti standardního křemíku jako materiálu, který přinese výhody vysoce propustné optiky do mnohem širší řady počítačových a komunikačních aplikací.

Vidět jako superman


Přestože prostému oku se křemík jeví jako nepropustný, pro infračervené světlo je průsvitný. „Podobně jako rentgenové vidění umožňovalo Supermanovi vidět skrz zdi, viděli byste skrz křemík, kdybyste dokázali vidět infračervené světlo,“ řekl Mario Paniccia, ředitel výzkumu křemíkové fotoniky ve společnosti Intel. „Díky tomu je možné směrovat v křemíku infračervené světlo, což je stejná vlnová délka, jaká se obvykle používá pro optickou komunikaci. Způsob, jak se elektrický náboj přenáší v tranzistoru při použití napětí, se dá použít ke změnám chování světla při průchodu těmito náboji. To nás vedlo k tomu, abychom začali zkoumat možnosti manipulace vlastnostmi světla, například fází a amplitudou, pro výrobu optických zařízení založených na křemíku.“

Jak to bude fungovat?


Experimentální zařízení dosáhlo rychlosti 1 GHz (odpovídá miliardě bitů přenesených po jediném optickém vlákně), ovšem výzkumníci společnosti Intel se domnívají, že to není rychlost konečná. Věří, že v budoucnu se jim podaří tuto technologii škálovat na 10 GHz i více. Jediný fotonický spoj může přenášet několik datových kanálů najednou a stejnou rychlostí, protože pro každý kanál použije jinou barvu světla podobně, jako se rádiem přenáší několik rádiových stanic nebo po kabelové televizi stovky kanálů. Navíc kabely z optických vláken jsou imunní vůči elektromagnetickým interferencím a přeslechu, který komplikuje výrobu vysokorychlostních měděných spojů. „Máme dlouhodobý výzkumný program, který zkoumá, jak můžeme uplatnit naše znalosti křemíku v jiných oblastech. Jeho dlouhodobým cílem je vývoj integrovaných optických zařízení,“ řekl Paniccia. Zpráva o tomto výzkumu byla publikována v časopise Nature číslo 428 ze 12. února 2004 pod titulkem Vysokorychlostní křemíkový optický modulátor založený na kondenzátoru MOS (A high-speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor). Jako autoři byli podepsáni Ansheng Liu, Richard Jones, Ling Liao, Dean Samara-Rubio, Doron Rubin, Oded Cohen, Remus Nicolaescu a Mario Paniccia ze skupiny Intel Corporate Technology Group. Současně byla publikována ve firemním Technology@Intel Magazínu společnosti Intel Corp. ředitelem projektu dr. Mariem Panicciem, jehož spolupracovníky při vývoji fotonického modulátoru jsou Victor Krutul a Sean Koehl. Trio Paniccio, Krutul a Koehl spolupracuje na tomto projektu intenzivně už pět let a jejich výsledek je považován ze definitivní průlom limitace křemíku jako optického materiálu.

Leave a Reply