Laser πυριτίου συνεχούς κύματος από την Intel

[gRooV]

Η Intel ανακοίνωσε μία επιστημονική καινοτομία, καθώς, χρησιμοποιώντας τις συνήθεις διαδικασίες κατασκευής πυριτίου, πέτυχε να δημιουργήσει το πρώτο παγκοσμίως laser πυριτίου συνεχούς κύματος. Αυτή η τεχνολογία ενδέχεται να βοηθήσει ώστε τα χαμηλού κόστους, υψηλής ποιότητας lasers και οι οπτικές συσκευές να μπορούν να χρησιμοποιούνται εκτενώς σε εφαρμογές στους κλάδους της πληροφορικής, των επικοινωνιών και της ιατρικής.

Όπως αναφέρεται στο τεύχος του περιοδικού Nature που κυκλοφορεί αυτήν την περίοδο, οι ερευνητές της Intel βρήκαν έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουν το επονομαζόμενο «φαινόμενο Raman» και την κρυσταλλική δομή του πυριτίου, ώστε να ενισχύσουν το φως, καθώς περνάει μέσα από αυτό. Όταν το φως εκχύεται από μία εξωτερική πηγή, το πειραματικό chip παράγει μία συνεχή, υψηλής ποιότητας δέσμη laser. Αν και απέχει πολύ ακόμη από το να γίνει προϊόν που θα κυκλοφορήσει στην αγορά, η δυνατότητα δημιουργίας ενός laser από «κοινό» πυρίτιο θα μπορούσε να οδηγήσει σε οπτικές συσκευές προσιτής τιμής, οι οποίες θα μπορούσαν να μεταφέρουν δεδομένα ανάμεσα σε υπολογιστές με την ταχύτητα του φωτός- εισάγοντας έτσι μία πληθώρα νέων εφαρμογών για την υψηλής ταχύτητας πληροφορική.

«Για πρώτη φορά αποδεικνύουμε ότι το κοινό πυρίτιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή συσκευών που ενισχύουν το φως», δήλωσε ο δρ. Mario Paniccia, Director του Photonics Technology Lab της Intel. «Η χρήση υψηλής ποιότητας συσκευών φωτονίων είναι περιορισμένη, επειδή η κατασκευή, η συναρμολόγηση και η συσκευασία τους κοστίζουν. Αυτή η έρευνα αποτελεί ένα σημαντικό βήμα που εισάγει τα οφέλη των χαμηλού κόστους, υψηλών ταχυτήτων οπτικών συσκευών που βασίζονται στο πυρίτιο, στην ευρεία αγορά».

Κάθε υπολογιστής, σήμερα, διαθέτει παροχή ρεύματος, έτσι ώστε να λειτουργούν τα chips, ο σκληρός δίσκος και τα περιφερειακά του. Στο μέλλον, οι Η/Υ μπορεί να διαθέτουν παροχή ρεύματος για μικροσκοπικά lasers, ενισχυτές και οπτικές διασυνδέσεις που μεταφέρουν terabytes δεδομένων στον υπολογιστή και μεταξύ των δικτύων. Επιπλέον, υπάρχουν ειδικά μήκη κύματος φωτός που είναι άριστα όσον αφορά στην αλληλεπίδρασή τους με τον ανθρώπινο ιστό. Για παράδειγμα, ένας τύπος κύματος laser χρησιμοποιείται στην επεξεργασία του καουτσούκ και ένας άλλος για χειρουργικές επεμβάσεις σε δόντια. Σήμερα αυτά τα lasers κοστίζουν δεκάδες χιλιάδες δολάρια το καθένα, περιορίζοντας έτσι τη χρήση τους. Πιθανή μελλοντική χρήση της προαναφερθείσας πρωτοποριακής τεχνολογίας της Intel θα μπορούσε να οδηγήσει σε προσιτά lasers για τον κλάδο της ιατρικής, έτσι ώστε οι επισκέψεις στον οδοντίατρο να γίνουν συχνότερες και λιγότερο επώδυνες για τους ασθενείς.

Η δημιουργία ενός Raman laser από πυρίτιο ξεκινάει με τη χάραξη ενός οδηγού κυμάτων που καθοδηγεί το φως στο chip. Το πυρίτιο είναι διαφανές στις υπέρυθρες ακτίνες, ώστε, όταν το φως κατευθύνεται μέσα στον οδηγό κυμάτων, να διοχετεύεται μέσα από ένα chip. Όπως και στο πρώτο laser που δημιουργήθηκε το 1960, οι ερευνητές της Intel χρησιμοποίησαν μία εξωτερική πηγή φωτός, για να διοχετεύσουν φως μέσα στο chip. Ενώ το φως διοχετεύεται, οι φυσικές ταλαντώσεις των ατόμων του πυριτίου ενισχύουν το φως, καθώς αυτό περνάει μέσα από το chip. Αυτή η ενίσχυση- το «φαινόμενο Raman»- είναι περισσότερο από 10.000 φορές πιο ισχυρή στο πυρίτιο από ότι στις ίνες γυαλιού. Τα lasers και οι ενισχυτές Raman χρησιμοποιούνται σήμερα στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών και απαιτούνται πολλά μίλια οπτικών ινών για την ενίσχυση του φωτός. Αντίθετα, χρησιμοποιώντας πυρίτιο, οι ερευνητές της Intel κατάφεραν να δημιοργήσουν laser σε ένα chip πυριτίου μεγέθους μόνο λίγων εκατοστών.

Ως laser θεωρείται οποιαδήποτε συσκευή που εκπέμπει μία έντονη, συνεχή δέσμη φωτός (όπου όλα τα φωτόνια έχουν το ίδιο μήκος κύματος, φάση και κατεύθυνση). Επικαλύπτοντας τις πλευρές ενός chip με ένα λεπτό υλικό ανάκλασης, παρόμοιο με εκείνο που χρησιμοποιείται στις επικαλύψεις γυαλιών ηλίου άριστης ποιότητας, η ομάδα ήταν σε θέση να ενισχύσει το φως, καθώς αυτό αναπηδούσε μπρος και πίσω μέσα στο chip. Καθώς αύξησαν την ενέργεια έκχυσης του φωτός, το κρίσιμο σημείο ήταν η στιγμή κατά την οποία μία δέσμη συνεχούς φωτός (π.χ. laser) βγήκε στιγμιαία από το chip.

Αρχικά, ανακάλυψαν ότι η αύξηση της ισχύος έκχυσης του φωτός πέρα από ένα ορισμένο σημείο, δεν οδηγούσε σε αύξηση της ενίσχυσης και σε κάποιο σημείο οδηγούσε ακόμη και σε μείωση. Ο λόγος ήταν μία φυσική διαδικασία που ονομάζεται «Απορρόφηση δύο Φωτονίων» (Two-Photon Absorption), η οποία συμβαίνει, όταν δύο φωτόνια από τη δέσμη χτυπήσουν ένα άτομο και την ίδια στιγμή απομακρύνουν ένα ηλεκτρόνιο. Αυτή η πληθώρα ηλεκτρονίων αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου και συσσωρεύονται μέσα στον οδηγό κυμάτων, μέχρι να απορροφήσουν τόσο φως, ώστε να σταματήσει η ενίσχυση.

Η πρωτοποριακή λύση της Intel ήταν η ενσωμάτωση μίας δομής ημιαγωγών, που στην τεχνική ορολογία αποκαλείται συσκευή PIN (P-type - Intrinsic - N-type), μέσα στον οδηγό κυμάτων. Όταν μία τάση ασκείται στο PIN, τότε αυτό ενεργεί ως κενό και απομακρύνει τα περισσότερα ηλεκτρόνια από την πορεία του φωτός. Η συσκευή PIN σε συνδυασμό με το «φαινόμενο Raman» παράγει μία συνεχή δέσμη φωτός.

Η έρευνα πάνω στα φωτόνια πυριτίου ξεκίνησε από την Intel ως μία προσπάθεια να ερευνήσει η εταιρεία τη δυνατότητα εφαρμογής των ειδικών γνώσεων που διαθέτει για το πυρίτιο, με στόχο τη δημιουργία ολοκληρωμένων οπτικών συσκευών που θα μπορούσαν να ενσωματωθούν από τους πελάτες της Intel σε μία μεγάλη γκάμα προϊόντων. Η ερευνητική ομάδα φωτονίων πυριτίου έχει επιτύχει έναν αριθμό καινοτομιών, ξεκινώντας το 2004 με τον πρώτο οπτικό διαμορφωτή βασιζόμενο σε σιλικόνη, για την κωδικοποίηση δεδομένων στο 1GHz, αύξηση πάνω από 50 φορές σε σύγκριση με το προηγούμενο επίτευγμα της έρευνας που έφτανε στα 20MHz περίπου.

«Έχουμε μία ευρεία γκάμα μακροπρόθεσμων ερευνητικών προγραμμάτων στη διάθεσή μας που θα μας βοηθήσουν να βρούμε νέους τρόπους εφαρμογής των ειδικών μας γνώσεων για το πυρίτιο, ώστε να κάνουμε ευκολότερη τη ζωή των ανθρώπων», δήλωσε ο κ. Kevin Kahn, Intel Senior Fellow, Director του Communications Technology Lab. «Για παράδειγμα, αναπτύσσουμε ασύρματα δίκυα αισθητήρων τα οποία θα χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό προβλημάτων εξοπλισμού σε εργοστάσια, ακόμη και σε πλοία, προτού καν συμβούν, ή να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση των υπηρεσιών υγείας για τους ηλικιωμένους. Με το ερευνητικό πρόγραμμα για τα φωτόνια πυριτίου, στόχος μας είναι να χρησιμοποιήσουμε τις τεχνικές μας σχετικά με την κατασκευή πυριτίου, για τη μαζική παραγωγή χαμηλού κόστους οπτικών συσκευών, ώστε τα οφέλη που προκύπτουν από τα υψηλής ταχύτητας φωτόνια να χρησιμοποιηθούν στους κλάδους της πληροφορικής και των επικοινωνιών».

Η αναφορά για την έρευνα αυτή δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, Τεύχος 433, με ημερομηνία 17 Φεβρουαρίου 2005. Η εργασία με τίτλο A continuous wave Raman Silicon Laser είναι των ερευνητών της Intel, Haisheng Rong, Richard Jones, Ansheng Liu, Oded Cohen, Dani Hak, Alexander Fang και Mario Paniccia. Αντίγραφο της εργασίας και περισσότερες πληροφορίες είναι διαθέσιμες στη διεύθυνση http://www.intel.com/go/sp/ .

Πηγή: tech.flash.gr