Z jednej strony szpula światłowodu, kojarzona z kilometrami niemal bezstratnej transmisji, a z drugiej niepozorny kawałek krzemu, na którym ktoś próbuje zmieścić “drogę dla światła” w skali mikro. Te dwa światy trudno ze sobą połączyć, bo fotoniczne układy scalone potrafią być świetne w jednym paśmie i przeciętne w drugim, a w świetle widzialnym zderzają się z wyjątkowo upartą fizyką. To właśnie tam rosną straty związane z rozpraszaniem na chropowatościach i absorpcją materiału, a więc zjawiskami, które w praktyce ustawiają sufit dla zegarów optycznych, czujników atomowych, stabilnych laserów czy precyzyjnych żyroskopów.
Samo prowadzenie światła po chipie stało się jednym z największych hamulców rozwoju całej dziedziny. Dlatego właśnie praca zespołu z Caltechu robi wrażenie, bo dotyka celu, który brzmi banalnie, a w praktyce jest piekielnie trudny, bo ma na celu przenieść na wafle krzemowe stratność zbliżoną do tej, jaką znamy ze światłowodów. Kluczową ideą jest wykorzystanie germanu domieszkowanego krzemionką, a więc materiału z rodziny tego, z czego robi się światłowody, tyle tylko, że w procesie kompatybilnym z przemysłem półprzewodnikowym.
Dlaczego światłowód jest tak trudny do podrobienia na chipie?
Światłowód wygrywa nie dlatego, że jest magiczny, a dlatego, że jest ekstremalnie dopracowany: czyste szkło, gładkość, kontrola defektów, geometria, która minimalizuje rozpraszanie i absorpcję. W fotonicznych układach scalonych dochodzi do tego jednak cały zestaw problemów produkcyjnych, bo trawienie, maski, krawędzie czy naprężenia. Tak się akurat składa, że w świetle widzialnym każda niedoskonałość robi się optycznie większa, bo fala ma krótszą długość, a to jest wręcz dewastujące na drodze ku procesorom fotonicznym.
Czytaj też: Wywrócili do góry nogami podstawowe zasady. Statek zbudowany z tego materiału nie utonie
Tutaj jednak pojawia się materiał, który w światłowodach ma dobrą reputację, ale na waflach krzemowych dotąd nie był platformą z prawdziwego zdarzenia. Zespół Caltechu zbudował proces, w którym na krzemie osadza się warstwę germano-krzemionki i obrabia ją litografią DUV (deep-UV), a następnie walczy o jakość powierzchni i ścianek falowodu. Kluczowym krokiem jest długie wygrzewanie wafla w temperaturze 1000 C przez 12-18 godzin, które powoduje to, że materiał łagodnie się wygładza, redukując chropowatość po trawieniu i tym samym ograniczając rozpraszanie.
Co dokładnie poprawili naukowcy i jak to mierzą?
W świecie fotoniki dwa słowa wracają jak bumerang: strata i Q. Strata falowodu mówi, jak szybko sygnał słabnie na jednostkę długości, a Q (współczynnik jakości rezonatora) mówi, jak dobry jest rezonator, czyli jak długo energia optyczna krąży w strukturze zanim zniknie. Jeśli Q rośnie, to łatwiej jest o ultra-wąskie lasery, stabilne źródła i układy, w których światło ma czas, aby zrobić robotę np. w pomiarach, czujnikach i przetwarzaniu sygnału.
Czytaj też: Ten samolot miał utrzymać Międzynarodową Stację Kosmiczną, ale stanie się jeszcze ważniejszy
Caltech i Nature raportują rezonatory o Q przekraczającym 180 milionów w szerokim zakresie długości fali – od fioletu po telekomunikację. Nie jest to byle detal dla tabelki, bo za tym idą twarde liczby strat falowodu. W wersji po wygrzewaniu badanie podaje m.in. 0,49 dB/m przy 458 nm, 0,32 dB/m przy 532 nm i 0,09 dB/m przy 1550 nm, a najniższa raportowana wartość to 0,08 dB/m przy 1064 nm. Chociaż brzmi to nietypowo dla byle znawcy, bo przecież w światłowodach często mówi się o dB/km, ale w tym przypadku chodzi o porównywalny język dla technologii, które na co dzień żyją w różnych skalach. Sam chip może mieć 2 cm szerokości, ale elementy takie jak rezonatory pierścieniowe sprawiają, że to, co liczy się dla wydajności, to to, ile razy światło potrafi okrążyć strukturę zanim zgaśnie.
W komunikacie Caltechu pada jeszcze jedna liczba, która pokazuje, po co to całe polowanie na setne części dB. Dla laserów wykonanych na tej platformie zespół mówi o ponad 100-krotnej poprawie tego, jak długo światło pozostaje koherentne względem wcześniejszych rozwiązań, a także o tym, że obniżenie strat falowodu o rząd wielkości może przekładać się na 100-krotną poprawę koherencji w laserach opartych o rezonatory.
CMOS i normalne wafle dla procesorów
Łatwo zachłysnąć się samą fizyką, ale w fotonice równie ważne jest pytanie, czy da się to zrobić nie tylko raz w laboratorium. Zespół podkreśla jednak, że układy powstają na takich samych waflach jak w elektronice, czyli 8- i 12-calowych, a więc o średnicy około 20,3 cm i 30,5 cm. Jest to akurat bardzo ważny sygnał, bo sugeruje ścieżkę do skali produkcyjnej, integracji z istniejącym łańcuchem dostaw i potencjalnie lepszej powtarzalności niż w egzotycznych platformach.
Czytaj też: Przełom w wydruku metali. Zrobili z drukarki 3D mikroskopijnego kowala do pracy “atom po atomie”
Jednocześnie sama publikacja pokazuje, że cała ta kompatybilność ma warstwy, które dorzucają do kwestii produkcyjnej kilka ważnych szczegółów, a w tym przede wszystkim wspomniane wygrzewanie w 1000 stopniach Celsjusza przez wiele godzin. Rodzi to akurat praktyczne pytania, bo co z integracją z aktywnymi elementami, które nie lubią takiego budżetu termicznego, co z naprężeniami, co z wydajnością i uzyskiem w realnej produkcji? Na te pytania po prostu trzeba odpowiedzieć, zanim ogłosimy obliczeniową rewolucję i przejście z elektronów na fotony.
Długa droga do fotonicznych układów
Sama lista potencjalnych zastosowań wygląda efektownie, ale jej sens jest ciągle niejasny, bo wiele kluczowych przejść atomowych i procesów w sensorach kwantowych działa w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, a układy fotoniczne w tym paśmie przez lata przegrywały ze stratami. Warto jednak zachować chłodną głowę. W wielu zastosowaniach o końcowym bilansie nie decyduje sama strata falowodu na prostej, tylko cały system, a w tym sprzęganie z włóknem, przejścia, skrzyżowania, elementy modulacyjne, stabilność temperaturowa, a nawet to, jak układ zachowuje się po miesiącach w obudowie.
Najciekawsze w tej historii jest więc nie to, że ktoś ogłosił światłowód na chipie, a to, że wreszcie widać spójną receptę: materiał znany z najlepszej infrastruktury telekomunikacyjnej, proces oparty o narzędzia z półprzewodników i wyniki, które w świetle widzialnym przestają wyglądać jak kompromis z góry przegrany. Czy to wystarczy, by fotonika widzialna stała się tak powszechna jak telekomunikacyjna? Zależy to akurat od tego, co stanie się dalej z uzyskiem, integracją i kosztami.