Szenzációs új Intel fejlesztés: a világ első szilícium alapú, folyamatos hullámú lézere

Ezen technológia segíthet az alacsony költségű, rendkívül jó hatékonyságú lézerek, illetve optikai eszközök elterjedésében a számítástechnika, kommunikáció, illetve egészségügy terén.

A Nature magazinban közzétett cikk szerint az Intel tudósai megtalálták az utat, hogy az úgynevezett Raman-effektust, illetve azt, hogy a szilícium kristályos struktúrája erősíti a fényt, miközben az áthalad rajta, kihasználják. Amint a fény a külső forrásból a kísérleti chipbe jut, folyamatos, és nagy hatékonyságú lézersugarat képez. Annak ellenére, hogy a felfedezés még távol áll attól, hogy bárki számára elérhető legyen, a lehetőség, hogy a hagyományos szilíciumból lézer ˝készíthető˝, olcsó optikai eszközöket eredményezhet, amely az adatokat a komputereken belül, fénysebességgel mozgathatják – ezáltal rengeteg új alkalmazás terjedhet el a nagysebességű számítástechnikai termékek terén.

˝Elsőként mutattuk be, hogy a hagyományos szilícium használható olyan eszközök építésében, melyek erősítik a fényt˝ – mondta Dr. Mario Paniccia, az Intel Fotonikai Technológiai Laboratóriumának vezetője. ˝A nagy hatásfokú fotonikus eszközök használata korlátozott, mivel drága az előállításuk, összeszerelésük, illetve csomagolásuk. Ezen kutatás jelentős lépést jelent az alacsony költségű, nagy sávszélességű szilícium-alapú optikai eszközök tömeggyártása felé˝.

Manapság minden számítógép rendelkezik tápegységgel, amely támogatja a chipeket, a merevlemezt, illetve a perifériaegységeket. A jövőben a PC-k olyan ˝tápegységgel˝ is ˝fel lehetnek szerelve˝, amelyek támogatják az apró lézereket, erősítőket, illetve az optikai összeköttetéseket, amelyek több terrabájtnyi adatot mozgatnak a számítógépen, illetve a hálózatokban. Emellett több speciális fényhullámhossz is létezik, amelyek optimálisak az emberi szövettel való együttműködésre. Példaként említhető, hogy egy bizonyos lézeres hullámhossz használható az ínyproblémák ellen, míg egy másik nagyon jó a fogszuvasodás kezeléséhez. Manapság ezen lézerek egyenként több tízezer dollárba kerülnek, így használatuk korlátozott. A potenciális jövőbeni használati lehetőségek az Intel áttörő technológiáját használhatják, és ezáltal elérhetőek lesznek a megfizethető orvosi lézerek, így a fogorvosokhoz való látogatás egyszerűbbé és fájdalommentesebbé válhat a páciensek számára.

Technikai részletek
A szilícium alapú Raman-lézer építése azzal kezdődik, hogy hullámvezetőt vájnak a szilíciumba – amely a chipen a fény vezetésére szolgáló ˝cső˝. A szilícium átlátszó az infravörös fény számára, így amint a fényt a hullámvezető felé irányítják, az a chipen átvezethető. Az első lézert 1960-ban fejlesztették ki. Az Intel kutatói ehhez hasonlóan küldő fényforrást használtak a fény chipbe juttatásához. Amint a fény bejut, a szilícium természetes atomi vibrációi felerősítik a fényt, amely így átjut a chipen. Ezen erősítő (a Raman-effektus) 10.000-szer erősebb a szilíciumban, mint az ˝üvegrostokban˝. A Raman lézereket, illetve erősítőket manapság a telekommunikációs iparágban használják, és több mérföld rostot használnak a fény erősítéséhez. A szilícium használatával az Intel kutatói képesek voltak erősítést és fényemmitálást elérni egy néhány centiméteres chipen.

A lézer egy széleskörűen elismert eszköz, amely erős és koherens fénysugarat bocsát ki (amelyben a fotonok ugyanazon hullámhosszon, fázisban és irányban mozognak). A chip oldalainak tükröződő, vékony filmréteggel való bevonása (amely hasonlít a kiváló minőségű napszemüvegek védőrétegéhez) által a csapat képes volt összegyűjteni és felerősíteni a fényt, amint az visszaverődött a chip belsejében. Amint felerősítették a besugárzási energiát, elérték a kritikus határértéket, amint egy nagyon pontos fényköteg (lézer) azonnal elhagyja a chipet.

Az áttörés
Eleinte a tudósok felfedezték, hogy a fénybesugrázás energiájának növelése egy ponton túl nem emeli az erősítést, sőt, néhány esetben csökkentette azt. Az ok egy fizikai folyamat volt, mely neve ˝Kétfotonos abszorpció˝ (Two-Photon Absorption) volt. Ez akkor fordul elő, amikor a fénysugárzóból két foton egy időben ütközik egy atommal, és így elmozdítanak egy elektront. Ezen plusz elektronok egy idő után összegyűlnek a fényvezető vájatban, amíg olyan sok fényt nyelnek el, hogy az erősítés leáll.

Az Intel áttörő megoldása az volt, hogy integrálta a félvezető struktúrát; technikai nevén PIN eszközt a vezető ˝járatba˝. Amint a feszültség elér az eszközhöz, vákumként viselkedik, és elvonja a legtöbb plusz elektront a fény útjából. A PIN eszköz, a Raman-effektussal kombinálva egy folyamatos lézersugarat eredményez.

A szilícium és a fény együttműködik
Az Intel szilícium alapú foton-kutatásai azzal kezdődtek, hogy a vállalat megpróbált új utakat keresni szilíciumos tapasztalatainak kiaknázására, elsősorban az integrált optikai eszközök terén; hiszen ezek az Intel több ügyfelének termékéhez felhasználhatók. A szilícium alapú fotonikai kutató csapat több áttörést is elért, először 2004-ben az első szilícium-alapú optikai modulátorral, amely 1 GHz-en képes kikódolni az adatokat, amely a korábbi 20 MHz-es rekordhoz képest ötvenszeres növekedést jelent.

˝Rengeteg hoszútávú kutatóprogramunk működik jelenleg, amelyek során azt kutatjuk, hogyan használhatnánk szilíciumos szakértelmünket egyéb módokon, hogy az emberek életét jobbá tegyük˝ – nyilatkozta Kevin Kahn, az Intel Kommunikációs technológiai laboratóriumának vezető munkatársa. ˝Egy példa: vezeték nélküli érzékelős hálózatokat fejlesztünk ki, amelyeket a gyárakban, vagy akár a hajókon (vízrebocsátás előtt) használhatnak, a berendezési hibák kiszűrésére. Egyéb felhasználási módja az idősek számára az egészségügyi szolgáltatások fejlesztése. A szilícium alapú fotonikai programmal a célunk az, hogy a szilícium alapú gyártási technológiákat az olcsó optikai eszközök tömeggyártásához használhassuk, így előnyöket kovácsolhassunk a szélessávú fotonikából, a számítástechnikai és kommunikációs iparágak számára˝.