Zespół naukowców z California Institute of Technology (Caltech) dokonał przełomu, który może zrewolucjonizować elektronikę – stworzył półprzewodnikowe struktury fotoniczne o stratach zbliżonych do światłowodów. Oznacza to, że światło zamiast prądu może wkrótce stać się głównym nośnikiem informacji w układach scalonych.
Dotąd największą przeszkodą w rozwoju tzw. fotoniki krzemowej były ogromne straty przy prowadzeniu światła w mikrostrukturach. Każda nierówność czy defekt na granicy materiału rozpraszał fotony, ograniczając ich wykorzystanie w procesorach, czujnikach i laserach.
Badacze z Caltechu rozwiązali ten problem, łącząc krzem z germano-krzemionką – materiałem, z którego wytwarza się najlepsze światłowody, ale tym razem w formie cienkiej warstwy osadzanej bezpośrednio na klasycznym waflu krzemowym.
CYNICZNYM OKIEM: Inżynierowie z Caltechu zrobili coś, co fizycy uznawali za niemożliwe – zmusili światło, by skręcało na zakrętach.
Rezonatory, które biją rekordy
Kluczem do sukcesu okazało się wygrzewanie wafli przez 18 godzin w 1000°C. Dzięki temu powierzchnia struktury ulega samopołyskowi, co ogranicza chropowatość i rozpraszanie. Efekt? Rezonatory o współczynniku jakości Q przekraczającym 180 milionów w szerokim zakresie długości fal – od fioletu po telekomunikację.
Dla porównania, wcześniejsze układy fotoniczne miały wartości Q niższe o dwa rzędy wielkości. W praktyce oznacza to ponad 100-krotną poprawę koherencji światła w laserach opartych na nowych chipach. Straty falowodu w najczystszych konfiguracjach spadły do zaledwie 0,08 dB/m, co stawia Caltech na granicy wydajności komercyjnych światłowodów.
Od laboratoriów do fabryk
Nowe układy powstają na standardowych 8- i 12-calowych waflach CMOS, co daje realną szansę na skalowanie technologii w istniejących liniach produkcyjnych. Oznacza to, że w przyszłości procesory fotoniczne mogą powstawać w tych samych fabrykach, co dzisiejsze układy elektroniczne.
CYNICZNYM OKIEM: Do tej pory krzem się grzał, teraz zacznie świecić – i wreszcie będzie widać, za co płacimy miliardy w centrach danych.
Zespół Caltechu nie ogłosił końca elektroniki, raczej zapowiedź jej następcy. Układy fotoniczne w świetle widzialnym mogą zrewolucjonizować nie tylko przetwarzanie danych, ale też czujniki kwantowe, zegary atomowe, lasery i systemy lidarowe.
Do pełnej rewolucji droga jeszcze daleka – trzeba rozwiązać problemy z integracją i kosztami, a także dopasować aktywne elementy, które nie tolerują wysokich temperatur produkcji. Ale jedno jest pewne: po dekadach marzeń fotonika wreszcie zbliża się do momentu, gdy światło na chipie przestanie być metaforą.
Bo jak przyznają sami naukowcy – „zastąpienie elektronów fotonami nie jest kwestią ‘czy’, lecz ‘kiedy’.”
