Jak je popsáno v nejnovějším vydání časopisu Nature, vědci společnosti Intel objevili způsob, jak využít efekt nazývaný Raman a krystalickou strukturu křemíku k zesílení procházejícího světla. Při osvícení externím zdrojem produkoval experimentální čip spojitý, vysoce kvalitní laserový paprsek. Ačkoliv se zdaleka nejedná o komerční produkt, možnost vyrábět laser ze standardního křemíku může vést ke vzniku levných optických zařízení pro přenos dat uvnitř a mezi počítači rychlostí světla – vznikl by tak ohromný prostor pro vývoj nových aplikací vysokorychlostních výpočetních systémů.
„Poprvé jsme dokázali vyrobit zařízení zesilující světlo ze standardního křemíku,“ řekl Dr. Mario Paniccia, ředitel Photonics Technology Lab společnosti Intel. „Používání vysoce kvalitních fotonických zařízení je vzhledem k jejich vysoké výrobní ceně značně omezené. Tento výzkum je klíčovým krokem k širokému využití možností levných optických zařízení s vysokou propustností.“
Dnes má každý počítač napájecí zdroj, který pohání čipy, pevné disky a další zařízení. V budoucnu mohou mít PC rovněž zdroj k pohonu malinkých laserů, zesilovačů a optických spojů, které budou přesouvat terabyty dat v rámci počítače a v počítačových sítích. Dále existují speciální vlnové délky světla, které se hodí k interakci s lidskou tkání. Například jedna vlnová délka laseru se dá použít pro ošetření dásní a jiná k odstraňování zubních kazů. Dnes stojí takové lasery desetitisíce dolarů, což jejich použití značně omezuje. V budoucnosti se díky technologii společnosti Intel možná takové zdravotnické lasery stanou cenově dostupnější a návštěvy zubařů pro nás budou rázem méně bolestné.
Technické podrobnosti
Vývoj Raman laseru v křemíku započal leptáním vlnovodu – kanálu vedoucího světlo v čipu. Křemík je pro infračervené světlo průhledný, takže světlo nasměrované do vlnovodu lze uvnitř čipu bez problémů udržet a vést. Když světlo prochází vnitřkem čipu, přirozené atomové vibrace křemíku jej dále zesilují. Toto zesílení – Raman efekt – je v křemíku více než 10 000krát vyšší než ve skleněných vláknech. Dnešní Raman lasery a zesilovače používané v telekomunikacích potřebují k zesílení světla kilometry vlákna. Díky použití křemíku dosáhli vědci společnosti Intel stejné úrovně záření prostřednictvím čipu dlouhého pouze několik centimetrů.
Jako laser se obecně označuje zařízení, které vysílá intenzivní, souvislý paprsek světla (kde mají všechny fotony stejnou vlnovou délku, fázi a směr). Vědecký tým společnosti Intel potáhl okraje čipu tenkým reflexním materiálem, podobným ochranné vrstvě slunečních brýlí, který světlo odrážel dovnitř čipu, které se zde opakovanými průchody stále zesiluje. Když dosáhne energie světla kritické hranice, začne z čipu vycházet velmi ostrý paprsek souvislého světla (tzn. laser).
Klíčový průlom
Jedním z prvních výsledků výzkumného projektu bylo zjištění, že světelná pumpa po určité době světlo již dále nezesiluje, naopak jej začíná časem tlumit. Důvodem je fyzikální jev nazvaný „dvoufotonová absorbce“ – když dojde k tomu, že dva fotony ve světelné pumpě narazí do jednoho atomu současně, dojde k uvolnění elektronu. Tyto volné elektrony se během doby ve vlnovodu nahromadí a začnou pohlcovat tolik světla, že se růst jeho intenzity zastaví.
Průlomové řešení společnosti Intel spočívá v tom, že se do polovodičové struktury vlnovodu integruje PIN hradlo (P-materiál, Izolant, N-materiál). Když se na toto hradlo přivede napětí, začne fungovat jako vysavač a odstraní z cesty všechny volné elektrony. Kombinace PIN prvku a Raman efektu umožňuje vznik souvislého laserového paprsku.
Spolupráce křemíku a světla
Tým společnosti Intel pro fotonický výzkum křemíku dosáhl řady úspěchů. Kupř. v roce 2004 se mu podařilo vytvořit křemíkový optický modulátor, který kóduje data rychlostí 1 GHz, což padesátkrát překonává předchozí výzkumný rekord 20 MHz.
„V současnosti probíhá řada dlouhodobých výzkumných programů, jejichž cílem je nalezení nových cest k využití našich schopností ve zpracování křemíku ke zkvalitnění života lidí,“ řekl Kevin Kahn, Intel Senior Fellow a ředitel Communications Technology Lab. „Vyvíjíme například bezdrátové senzorové sítě, které by šlo použít k detekci poruch zařízení v továrnách nebo lodích na moři ještě před tím, než se projeví, případně ke zlepšení zdravotní péče o stárnoucí lidi. Cílem programu fotonického výzkumu křemíku je využít postupy z výroby polovodičů při masové produkci levných optických zařízení, která by zpřístupnila světelnou šíři pásma výrobcům běžných výpočetních a komunikačních zařízení.“
Zpráva o výzkumu byla publikována v časopise Nature, číslo 433 z 17. února 2005. Autory dokumentu s názvem „A continuous wave Raman Silicon Laser“ jsou výzkumníci společnosti Intel: Haisheng Rong, Richard Jones, Ansheng Liu, Oded Cohen, Dani Hak, Alexander Fang a Mario Paniccia. Celý dokument a další informace jsou k dispozici na http://www.intel.com/go/sp/.
