Fotoniczne układy coraz bliżej rynkowego debiutu

W Science ukazał się artykuł, w którym naukowcy z California Institute of Technology opisują, w jaki sposób poradzili sobie jedną z najpoważniejszych przeszkód stojących na drodze do produkcji i upowszechnienia fotonicznych układów scalonych. Uczonym opracowali nową technikę izolowania sygnałów świetlnych na krzemowym układzie scalonym.

Kości fotoniczne, w przeciwieństwie do układów elektronicznych, do przesyłania danych i wykonywania obliczeń będą wykorzystywały fotony. Co prawda światło już teraz służy do przesyłania danych za pomocą światłowodów, jednak w samym komputerze sygnały świetlne zamieniane są na znacznie mniej efektywne sygnały elektryczne.

Izolowane sygnały świetlne mogą podróżować tylko w jednym kierunku. Jeśli nie będą one izolowane, fotony odbierane i wysyłane pomiędzy różnymi częściami fotonicznego układu będą na siebie wpływały, zajdzie pomiędzy nimi interferencja, a zatem całość będzie niestabilna. W układzie elektrycznym do odseparowania sygnałów służy dioda. Należy więc stworzyć jej fotoniczny odpowiednik. To coś, czego naukowcy szukają od 20 lat - mówi Liang Feng z Caltechu, pracujący pod kierunkiem profesora Axela Scherera.

Promień świetlny ma takie same właściwości gdy porusza się w jednym kierunku, jak i wówczas, gdy zostanie odbity i wraca. Aby izolować dane fotoniczne trzebaby w jakiś sposób zmienić właściwości promienia podążającego w przeciwnym kierunku. Dopiero wówczas  można by skonstruować urządzenie blokujące światło o właściwościach odpowiadających właściwościom światła odbitego, a zatem spowodować, by podróżowało ono w jednym kierunku.

Do odseparowania światła Feng i jego koledzy wykorzystali nowy typ optycznego falowodu o przekroju 0,8 mikrona, który został zbudowany z krzemu. Falowód przepuszcza światło w jednym kierunku, ale zmienia mod światła podróżującego w kierunku przeciwnym. Jako, że pomiędzy promieniami światła o różnych modach nie zachodzi interferencja, mogą przez siebie przenikać bez ryzyka zmiany niesionych informacji.

Dotychczas stosowano dwie metody izolowania optycznego. Pierwsza, wynaleziona niemal 100 lat temu, zakładała wykorzystanie pola magnetycznego. Pole to zmienia polaryzację światła podróżującego w przeciwnym kierunku. Problem jednak w tym, że w pobliżu komputerów nie możesz stosować silnych pól magnetycznych. To niezdrowe - mówi Feng.

Druga z metod, opracowana przed 50 laty, zakłada wykorzystanie materiałów o nieliniowych właściwościach optycznych. Materiały takie zmieniają częstotliwość fali świetlnej. Problem jednak w tym, że krzem charakteryzuje się właściwościami liniowymi. Aby zbudować układ scalony z materiałów o właściwościach nieliniowych, trzeba by zmienić materiał, z jakich są wytwarzane. Rezygnacja z krzemu oznaczałaby kolosalne koszty i trudności technologiczne związane z całkowitą zmianą technologii wykorzystywanych od dziesięcioleci.

Zbudowanie krzemowego falowodu to pierwszy przykład urządzenia o liniowych właściwościach optycznych, które może służyć do separowania światła.

Uczeni z Caltechu już zbudowali prototypowe urządzenie, które można zintegrować na krzemowym układzie.

Obecnie najbardziej zaawansowane układy fotoniczne pracują z przepustowościami rzędu 10 gigabitów na sekundę. Wkrótce ich wydajność powinna wzrosnąć do 40 Gb/s. Jednak bez wbudowanego optycznego izolatora kości takie nie mogą zadebiutować na rynku. Projekt Caltechu daje nadzieję na pojawienie się w sprzedaży fotonicznych układów scalonych.

układ fotoniczny falowód krzem