Może sensowny będzie scenariusz, w którym krzem pozostanie fundamentem elektroniki jeszcze przez długie lata, ale przestaniemy wymagać od niego rzeczy, w których zwyczajnie nie jest najlepszy? Kiedy nadejdzie czas na konieczność dodania konkretnej funkcji, może będziemy po prostu dokładać odpowiedni materiał? Brzmi to trochę jak budowanie układu scalonego z klocków LEGO i właśnie do takiego porównania odwołują się naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtona w St. Louis, którzy opracowali nowy sposób rozbudowywania układów fotonicznych.
Krzem nie musi robić wszystkiego, ale może być podstawą
Cała historia dotyczy fotoniki zintegrowanej, czyli układów, w których część zadań związanych z przesyłaniem lub przetwarzaniem informacji powierzamy światłu. Nie jest to już technologia rodem z odległej przyszłości. Pisałem już o chińskim systemie, w którym chipy FPGA komunikowały się między sobą z wykorzystaniem fotoniki krzemowej, a jeszcze ciekawszy kierunek pokazał program FUTUR-IC rozwijany przez MIT, którego jednym z celów jest wprowadzenie komunikacji optycznej jeszcze głębiej do samych układów obliczeniowych.
Powód dążenia do takich układów jest prosty. Współczesne procesory mogą wykonywać ogromną liczbę operacji, ale dane trzeba jeszcze przerzucać między kolejnymi elementami systemu. Wraz ze wzrostem przepustowości klasyczne połączenia elektryczne zaczynają kosztować coraz więcej energii i generować coraz więcej ciepła. Fotony są pod tym względem niezwykle kuszące.
Czytaj też: Tak może wyglądać komputer przyszłości. Nie służy do grania i kosztuje fortunę
Sęk w tym, że krzem oraz azotek krzemu, które stanowią świetną i dobrze opanowaną bazę dla układów fotonicznych, nie zapewniają wszystkich właściwości potrzebnych do sterowania światłem, jego izolowania czy wykrywania różnych długości fal. Możemy więc próbować zmuszać pojedynczy materiał do robienia wszystkiego albo wykorzystać kilka różnych, z których każdy zajmie się tym, w czym jest najlepszy. Tyle że wtedy pojawia się problem produkcji.
Naukowcy tym razem nie hodują nowych materiałów na chipie
Łączenie zupełnie różnych materiałów półprzewodnikowych nie sprowadza się do położenia jednego na drugim. Kryształy mają własną strukturę, a próba wyhodowania materiału bezpośrednio na niepasującym podłożu może prowadzić do defektów, które pogarszają właściwości całego układu. Zespół ze Szkoły Inżynierii McKelveya postanowił więc ominąć ten problem.
Zamiast hodować wszystkie potrzebne materiały bezpośrednio na krzemie, naukowcy przygotowują osobno bardzo cienkie, wysokiej jakości monokrystaliczne membrany, a następnie przenoszą je na gotowy już obwód fotoniczny wykonany z krzemu lub azotku krzemu. Co więcej, poszczególne membrany można umieszczać obok siebie albo układać pionowo, więc pojedynczy element może otrzymać kilka nowych właściwości jednocześnie.
Stąd właśnie wzięło się określenie “fotoniczne LEGO”.
Jeden materiał steruje światłem, drugi pilnuje jego kierunku
Badacze pokazali możliwości swojej metody na czterech różnych materiałach. Tytanian baru, czyli BTO, posłużył do elektrooptycznej modulacji światła. Mówiąc prościej, pole elektryczne pozwala zmieniać właściwości światła biegnącego przez układ. Zademonstrowany modulator osiągnął pasmo przekraczające 23 GHz, więc nie mamy tutaj do czynienia z efektem działającym wyłącznie w powolnym laboratoryjnym eksperymencie.
Czytaj też: Komputery mogą dostać tranzystory grubości atomu. Wyniki już wyprzedzają cele na 2031 rok
Ferryt kobaltu, czyli CFO, pozwolił z kolei uzyskać nieodwracalne sterowanie propagacją światła. Jest to istotne chociażby wtedy, gdy chcemy zapobiegać powrotowi światła w niepożądanym kierunku i zakłócaniu działania innych elementów układu. Następnie do całej układanki doszły arsenek galu oraz azotek galu. Umieszczone na obwodach z azotku krzemu pozwoliły stworzyć fotodetektory reagujące na wybrane długości fal od ultrafioletu aż po bliską podczerwień.
Najlepszym pokazem możliwości tej koncepcji było jednak ułożenie membran BTO oraz CFO na jednym krzemowym rezonatorze mikropierścieniowym. Dzięki temu pojedynczy element łączył właściwości elektrooptyczne i magnetooptyczne. Zamiast wymagać od jednego materiału niemożliwego, naukowcy po prostu połączyli dwa wyspecjalizowane.
Następcy krzemu może wcale nie być
Krzem ma za sobą dziesięciolecia rozwoju technologii produkcyjnych, gigantyczne fabryki i niewyobrażalnie rozbudowany ekosystem. Porzucenie tego wszystkiego na rzecz zupełnie nowej platformy byłoby ogromnym problemem. Znacznie rozsądniej brzmi więc pozostawienie krzemu tam, gdzie sprawdza się świetnie, i dokładanie do niego materiałów, które przejmą konkretne zadania. Jeden będzie modulował światło. Drugi zadba o jego właściwy kierunek. Kolejny wykryje konkretną długość fali. Następne mogą dołożyć funkcje potrzebne w komputerach fotonicznych, centrach danych, czujnikach albo technologiach kwantowych.
Czytaj też: Oczy i komputer trafiły do pocisku. Zmiana wręcz przerażająca
Nie wiem, czy właśnie w taki sposób będą powstawały komercyjne układy fotoniczne za dekadę. Coraz mniej wierzę jednak, że przyszłość półprzewodników przyniesie nam jeden cudowny materiał, który po prostu wyrzuci krzem do kosza. Bardziej prawdopodobne wydaje mi się, że krzem pozostanie z nami na długo, a wszystko, czego sam nie potrafi, będziemy dokładać do niego kolejnymi warstwami.
